中南大学《Acta Materialia》：钛合金共格孪晶边界中溶质偏析引起的异常沉淀

编辑推荐：α+β钛合金中非均匀沉淀以及α相和β相的分布会对合金性能产生影响。在此研究中Ti-4wt%Mo合金中β相在α′马氏体内的Mo{10-11}偏析全相干孪晶边界(CTBs)上不均匀地析出，与α′具有不寻常的Potter取向关系。CTB具有类似于β相的结构，并且CTB中的Mo偏析导致分离的原子列发生了不寻常的平面外位移，使局部结构几乎与β结构相同，因此可以作为具有独特取向关系的β沉淀的模型。发现揭示了一种新的机制，通过这种机制可以有效地控制β沉淀物的分布，以获得更好的力学性能，并且可以扩展到更广泛地应用于其他工程合金。

制备钛合金通常有α′组成的，力学性能相对较差，许多人试图研究α′马氏体分解与力学性能之间的关系。然而，对α′分解机制和β形成机制的在原子尺度上研究相对较少，尽管从原子角度理解β形成机制对于进一步改善β的分布和力学性能至关重要。析出相在致密孪晶界面上的不均匀析出，明显改善合金力学性能。然而，β只在马氏体板之间的界面和内部位错处不均匀地析出。如果β相能在α′的孪晶边界上不均匀析出，那么致密纳米孪晶的引入将极大地改变β相的分布。

日前，来自中南大学等单位的研究人员发现α′马氏体中的β相在Mo分离的全相干CTBs上不均匀析出，并与α′形成不寻常的Potter OR，还发现CTB具有类似于β相的结构。相关论文以题为“Unusual precipitation induced by solute segregation in coherent twin boundary in titanium alloys”发表在《Acta Materialia》杂志上。

论文链接：

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

图1 HAADF-STEM图像，其对应的FFT模式

对FFT的仔细分析表明，β析出相与α′马氏体及其相变孪晶之间的或为(01-1)β //(10-11) α′/T和[-111]β //[1-210] α′/T，也称为Potter OR, 与传统上认为β相的非均匀析出不同。此外Mo是一种典型的β稳定元素，它有很强的向β相分配的倾向。β析出相的形成会吸引Mo原子，导致在析出相周围形成一个Mo耗竭区。在该析出相的上方和下方有一条连接CTB的直线，证明β析出相恰好在孪晶边界的相干区域即CTB上形成。β相和孪晶之间的界面结构和OR与β相和马氏体之间的界面结构和OR相同。β/孪晶界面和β/基体界面的失配位错分离距离的差异可能是由于β相中局部Mo浓度的差异造成的。

图2  Potter OR的立体投影

由于Potter OR是一种介于β和α′马氏体之间的不同寻常的OR。其周围的孪晶和CTB经过长时间的时效已经消失，这两种β析出相仍然与马氏体存在波特OR关系，表明β和马氏体之间的波特OR关系是相对稳定的。

图2 (a) Supercell用于计算Mo溶质在CTB压缩或扩展位置的偏析能。同占用率Mo在CTB中单个扩展列或压缩列中的偏析能。

从弹性应变最小化的角度来看，由于Mo原子半径小于Ti，因此在CTBs中压缩部位发生Mo偏析。第一性原理计算结果当Mo偏析到压缩位置时，偏析能值为负，当单个压缩列中Mo占用率为100%时，偏析能最小。这些结果表明，Mo在能量上倾向于向压缩位偏析，并且Mo倾向于占据每个压缩列中的所有Ti位。

为了了解β结构在（10-11）CTB上的形成机制，首先沿α′观察了无Mo偏析的（10-11）CTB的弛豫结构， CTB中压缩点周围的原子排列与β结构单元的原子排列相似，CTB中每个压缩位点周围的结构可以作为β结构单元形成的模板，从而诱导β结构单元的形成，位于压缩位点的原子可以进一步改变到β结构的位置。

图3 无溶质偏析、20%Mo随机分布和Mo全部替代压缩列的（10-11）CTB弛豫结构

图6 β结构单元形成的能量有利位置。

在Ti-4wt%Mo合金α′马氏体中观察到Mo偏析CTBs上β相的不均匀析出。在CTB上形成的β析出相与马氏体及其相变孪晶均具有Potter OR。它的析出是由CTB中每个压缩位点周围的特定结构和CTB中的Mo偏析引起的。该结构是六方α′和BCC β产物之间的一种中间状态。Mo在CTB中的偏析导致分离的原子列发生了不寻常的平面外位移，这不仅使中间结构与β相几乎相同，而且提供了β相析出所需的高Mo浓度。第一性原理计算结果表明，具有Mo偏析的CTB上β的形成在能量上是有利的。这些发现可能适用于钛合金，甚至其他金属合金，不仅推进了沉淀物在特定边界结构上的异质形核理论，而且提供了一种新的基于双边界的方法来合理设计超细沉淀物微观结构，以实现潜在的前所未有的力学性能。（文：晓太阳）