澳大利亞皇家墨爾本理工大學馬前教授團隊對鈦合金塊狀相變機理的研究取得新進展, 近日在Scripta Materialia發表了題為 “ Massive transformations in titanium alloys: Role of relative orientation of adjacent parent grains” 的研究文章,逯圣路博士為第一作者。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646223004979

塊狀相變（massive transformation）是金屬和合金中一類發生在中溫區的短程擴散型相變, 迥異于發生在低溫區的無擴散型的馬氏體相變和發生在高溫區的長程擴散型的各類相變。塊狀相變的典型特征是相變產物即塊狀相可以跨越原始母相的晶界生長, 觀察到的形態多為不規則的塊狀。此外, 塊狀相與母相之間可不受晶體學位相關系的約束。鈦合金中塊狀相變的發生對冷卻速度有一定的要求（短程擴散型）, 一般可認為在20°C/s以上。

國外的M. Hillert, T.B. Massalski, H.I. Aaronson等學者均對金屬和合金中的塊狀相變機理的研究做出了奠基性的貢獻, 我國的徐祖耀院士等人也初步探索了塊狀相變, 但該領域前期的工作多集中于探討相變產物和母相的晶體學關系, 這也是固態相變研究的一個基本出發點。然而, 在塊狀相變機理問題的研究上, 前人似乎忽略了相鄰母相晶粒的晶體學相對取向對塊狀相變過程和產物的影響。

為使研究發現更具有普遍性, 該工作通過大量的電子背散射衍射（EBSD）技術和原始β晶粒重構分析了電子束粉末床（EB-PBF）打印的Ti-6Al-4V合金,傳統工藝制備的Ti-6Al-4V合金,激光粉末沉積打印(L-DED) 的ATI425鈦合金(Ti-3.9Al-2.5V-1.5Fe-0.21O), L-DED Ti-0.35O-3Fe合金以及L-DED Ti-4Al-2V合金等三類工藝制備的四種鈦合金內跨晶界生長的塊狀相兩側相鄰原始β晶粒的相對晶體學取向, 發現當相鄰兩個β相晶粒的密排面{110}平行或者近平行時,可促進塊狀相變的發生和αm相的跨晶界生長,并且αm相的{0001}極點與近平行的{110}極點重疊,但αm相的{11-20}極點發散（>15°）,說明塊狀相的生長偏離了Burgers位相關系。這應該是第一次明確確認塊狀相變過程中, 相鄰母相晶粒的晶體學相對取向對塊狀相變過程和產物有決定性的影響。

在α-β兩相鈦合金中, 塊狀相是不穩定的,可分解為超細的α-β兩相, 這為優化微觀組織以獲得高性能鈦合金提供了新的思路。

該課題組在鈦合金塊狀相變的相關文章包括Acta Materialia [104 (2016) 303 - 311] 和 Materials Characterizations [127 (2017) 146 - 152]。

圖1 （a, b）EB-PBF Ti-6Al-4V合金中的跨晶界生長的塊狀αm相和周邊魏氏組織的EBSD掃描結果,（c）SEM背散射顯示塊狀αm相原位分解生成的超細α-β組織,（d）塊狀αm相的極圖結果展現了的{11-20}極點的分散特性以及（e）重構的相鄰原始β晶粒的相對取向

圖2 （a）傳統工藝制備的Ti-6Al-4V合金中的跨晶界生長的塊狀αm相和周邊魏氏組織的EBSD掃描結果顯示αm相的塊狀形貌和跨晶界生長行為, （b, c, d）SEM背散射照片觀察到的αm相內部的超細α-β組織和附近典型的魏氏組織,（e, f）塊狀αm相的極圖結果展示了{11-20}極點的分散特性,而（g）為魏氏α束組織的極圖, {11-20}極點的不分散, （h）重構的相鄰母相β晶粒的相對取向

圖3 （a）L-DED ATI 425合金中的跨晶界生長的塊狀αm相和周邊魏氏組織的EBSD掃描結果,（b）SEM背散射觀察到的塊狀αm相原位分解生成的超細α-β組織,（c）塊狀αm相的極圖展示了{11-20}極點的分散特性以及（d）重構的相鄰母相β晶粒的相對取向,其中母相β晶粒⑩和?以及?和?的{110}偏離較大,晶界上未有塊狀相變發生