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中南大學《Acta Materialia》：鈦合金共格孿晶邊界中溶質偏析引起的異常沉淀

2023-01-03 15:44:20 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

制備鈦合金通常有α′組成的，力學性能相對較差，許多人試圖研究α′馬氏體分解與力學性能之間的關系。然而，對α′分解機制和β形成機制的在原子尺度上研究相對較少，盡管從原子角度理解β形成機制對于進一步改善β的分布和力學性能至關重要。析出相在致密孿晶界面上的不均勻析出，明顯改善合金力學性能。然而，β只在馬氏體板之間的界面和內部位錯處不均勻地析出。如果β相能在α′的孿晶邊界上不均勻析出，那么致密納米孿晶的引入將極大地改變β相的分布。

日前，來自中南大學等單位的研究人員發現α′馬氏體中的β相在Mo分離的全相干CTBs上不均勻析出，并與α′形成不尋常的Potter OR，還發現CTB具有類似于β相的結構。相關論文以題為“Unusual precipitation induced by solute segregation in coherent twin boundary in titanium alloys”發表在《Acta Materialia》雜志上。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118466

圖1 HAADF-STEM圖像，其對應的FFT模式

對FFT的仔細分析表明，β析出相與α′馬氏體及其相變孿晶之間的或為(01-1)β //(10-11) α′/T和[-111]β //[1-210] α′/T，也稱為Potter OR, 與傳統上認為β相的非均勻析出不同。此外Mo是一種典型的β穩定元素，它有很強的向β相分配的傾向。β析出相的形成會吸引Mo原子，導致在析出相周圍形成一個Mo耗竭區。在該析出相的上方和下方有一條連接CTB的直線，證明β析出相恰好在孿晶邊界的相干區域即CTB上形成。β相和孿晶之間的界面結構和OR與β相和馬氏體之間的界面結構和OR相同。β/孿晶界面和β/基體界面的失配位錯分離距離的差異可能是由于β相中局部Mo濃度的差異造成的。

圖2 Potter OR的立體投影

由于Potter OR是一種介于β和α′馬氏體之間的不同尋常的OR。其周圍的孿晶和CTB經過長時間的時效已經消失，這兩種β析出相仍然與馬氏體存在波特OR關系，表明β和馬氏體之間的波特OR關系是相對穩定的。

圖2 (a) Supercell用于計算Mo溶質在CTB壓縮或擴展位置的偏析能。同占用率Mo在CTB中單個擴展列或壓縮列中的偏析能。

從彈性應變最小化的角度來看，由于Mo原子半徑小于Ti，因此在CTBs中壓縮部位發生Mo偏析。第一性原理計算結果當Mo偏析到壓縮位置時，偏析能值為負，當單個壓縮列中Mo占用率為100%時，偏析能最小。這些結果表明，Mo在能量上傾向于向壓縮位偏析，并且Mo傾向于占據每個壓縮列中的所有Ti位。

為了了解β結構在（10-11）CTB上的形成機制，首先沿α′觀察了無Mo偏析的（10-11）CTB的弛豫結構， CTB中壓縮點周圍的原子排列與β結構單元的原子排列相似，CTB中每個壓縮位點周圍的結構可以作為β結構單元形成的模板，從而誘導β結構單元的形成，位于壓縮位點的原子可以進一步改變到β結構的位置。

圖3 無溶質偏析、20%Mo隨機分布和Mo全部替代壓縮列的（10-11）CTB弛豫結構

圖6 β結構單元形成的能量有利位置。

在Ti-4wt%Mo合金α′馬氏體中觀察到Mo偏析CTBs上β相的不均勻析出。在CTB上形成的β析出相與馬氏體及其相變孿晶均具有Potter OR。它的析出是由CTB中每個壓縮位點周圍的特定結構和CTB中的Mo偏析引起的。該結構是六方α′和BCC β產物之間的一種中間狀態。Mo在CTB中的偏析導致分離的原子列發生了不尋常的平面外位移，這不僅使中間結構與β相幾乎相同，而且提供了β相析出所需的高Mo濃度。第一性原理計算結果表明，具有Mo偏析的CTB上β的形成在能量上是有利的。這些發現可能適用于鈦合金，甚至其他金屬合金，不僅推進了沉淀物在特定邊界結構上的異質形核理論，而且提供了一種新的基于雙邊界的方法來合理設計超細沉淀物微觀結構，以實現潛在的前所未有的力學性能。

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