清华《Acta Materialia》：揭示钛合金α/β相界面结构与迁移模式

钛合金因其卓越的性能，如高比强度、优异的低温性能和抗腐蚀性能，广泛应用于航空航天和海洋船舶等领域。钛合金的这些优良特性与其内部微观组织结构密不可分，关于钛合金组织形成的深入认识是基于知识调控材料组织和性能的科学基础。然而，形成钛合金典型α/β组织的相变机制仍不太清楚，澄清α/β间各种取向相界面的结构及这些界面迁移方式是揭示组织形成微观过程的关键。

清华大学材料学院的研究团队近期通过透射电镜表征、相变晶体学理论模型及分子动力学模拟相结合的方法，系统研究了钛合金α/β相体系中析出相的三维界面位错结构[1,2]与可能的界面迁移模式[1,3,4]。与本团队早期β中α析出相的结果类似，α中β析出相的惯习面和侧面也包含平行于析出相长轴的界面位错线，而端面则由复杂的位错网络构成，这些位错网络由四组不同柏氏矢量位错段组成。在力学约束较少的情况下，相界面可以通过热激活的迁移-切变耦合模式进行运动，实验中观察到的表面α析出相便是由该模式形成，相变晶体学理论计算结果与实验结果一致[3]。此外，研究团队通过原位透射电镜观察到基体内部的析出相刻面，通过纳米尺度台阶生长的机制；并基于晶体学模型推测了在力学约束较大时，通过台阶机制迁移的界面位错运动过程[1]。

该系列研究较新成果于近年发表于《Acta Materialia》[1,3,4]和《Journal of Materials Science & Technology》[2]。其中，最新的工作以“Structures and migrations of interfaces between β precipitates and α′ matrix in a Ti-2.6 wt% Mo alloy”为题，于近期发表于《Acta Materialia》[1]。该研究的第一作者为清华大学的张金宇博士（现于大阪大学从事博士后研究），通讯作者为清华大学张文征教授。

图1. Ti-2.6wt%Mo合金中β析出相的明场 像

图2. Ti-2.6wt%Mo合金中β析出相惯习面沿着<111>β|<1120>α方向观察的原子结构，包含两种 /2 型位错

图3. 广义O单元方法[5]和分子动力学模拟给出的惯习面上的位错结构

图4. 原位透射电镜下观察到β析出相收缩过程中侧面上生长台阶的横向迁移、合并和消失

图5. 广义O单元[5]方法给出的可能的纳米尺寸生长台阶及其位错结构

在该研究中，我们系统研究了Ti-2.6 wt% Mo合金中β析出相的三个典型界面的结构和迁移模式，包含了惯习面、侧面和端面。我们通过透射电镜、分子动力学模拟以及广义O单元计算方法的协同分析，揭示了β析出相惯习面、侧面和端面上复杂的位错和原子结构。与α析出相惯习面上通常观察到的单组位错不同，我们在β析出相的惯习面上发现了两组 /2 型位错。β析出相和α析出相惯习面位错的差异可能来源于不同基体相中可用位错的差异。β析出相的侧面和端面则表现出与α析出相类似的位错结构，尤其是侧面包含一组小间距位错和一组大间距位错，而端面则显示出由小间距位错和大间距位错网络组成的复杂结构。我们通过广义O单元方法和深度神经网络势的分子动力学计算，确定了β析出相三维界面结构的完整图景。理论计算结果与透射电镜观察到的界面结构一致。

进一步地，通过原位透射电镜实验，我们发现β析出相的惯习面和侧面的迁移是通过纳米尺度的台阶生长机制来实现的。通过广义O单元方法进一步分析生长台阶上的位错结构，推测了生长台阶横向运动时位错发生的非保守运动的机制。这一发现为钛合金中相变过程中微观结构演变提供了更深入的理解，并为未来钛合金析出过程的原子级和介观模拟奠定了基础。

[1] J.-Y. Zhang, Y.-S. Zhang, F. Mompiou, W.-Z. Zhang, Structures and migrations of interfaces between β precipitates and α′ matrix in a Ti-2.6 wt% Mo alloy, Acta Materialia 281 (2024) 120429.

[2] J.-Y. Zhang, F.-Z. Dai, Z.-P. Sun, W.-Z. Zhang, Structures and energetics of semicoherent interfaces of precipitates in hcp/bcc systems: A molecular dynamics study, Journal of Materials Science & Technology 67 (2021) 50-60.

[3] J.-Y. Zhang, Z.-P. Sun, D. Qiu, F.-Z. Dai, Y.-S. Zhang, D. Xu, W.-Z. Zhang, Dislocation-mediated migration of the α/β interfaces in titanium, Acta Materialia 261 (2023) 119364.

[4] J.-Y. Zhang, Z.-P. Sun, Y.-S. Zhang, W.-Z. Zhang, Interface dislocation trajectory and long-range strain associated with the migration of semicoherent interfaces, Acta Materialia 277 (2024) 120167.

[5] J.-Y. Zhang, Y. Gao, Y. Wang, W.-Z. Zhang, A generalized O-element approach for analyzing interface structures, Acta Materialia 165 (2019) 508-519.

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。感谢论文作者团队支持。