鈦合金中溶質(zhì)原子團(tuán)簇的形成機(jī)理及對力學(xué)性能的影響

近年來，研究人員在高濃度固溶體合金中發(fā)現(xiàn)局部化學(xué)有序疇、原子團(tuán)簇和成分波動等，這些結(jié)構(gòu)特征使合金獲得了優(yōu)異的強(qiáng)度-塑性結(jié)合。原子團(tuán)簇在鈦合金中也有一些報道，但其對力學(xué)性能的影響規(guī)律和機(jī)理還未清楚。近日，北航邱春雷教授團(tuán)隊(duì)在自主設(shè)計(jì)開發(fā)的一種增材制造亞穩(wěn)態(tài)β鈦合金中發(fā)現(xiàn)了高密度納米溶質(zhì)原子團(tuán)簇的存在。通過分子動力學(xué)模擬與先進(jìn)表征，他們研究了溶質(zhì)原子團(tuán)簇的形成機(jī)理及其對合金強(qiáng)度、塑性的影響規(guī)律和機(jī)理。另外，他們還研究了新型亞穩(wěn)態(tài)β鈦合金在選區(qū)激光熔化過程中的復(fù)雜微觀組織演變規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)溶質(zhì)原子團(tuán)簇的形成有助于降低合金體系的結(jié)合能。在變形過程中，溶質(zhì)原子團(tuán)簇能夠有效阻礙位錯運(yùn)動，增加變形抗力，同時又允許位錯切過，因此產(chǎn)生了良好的強(qiáng)塑性結(jié)合。溶質(zhì)原子團(tuán)簇及成分波動的存在促使基體形成交替變換的納米尺度拉伸與壓縮應(yīng)變場，有效阻礙位錯運(yùn)動并有助于強(qiáng)度的提高。由于原子團(tuán)簇及超細(xì)無熱?沉淀相的存在，固溶態(tài)的鈦合金即獲得超高的屈服強(qiáng)度（>1.2GPa）。研究還發(fā)現(xiàn)打印態(tài)的亞穩(wěn)態(tài)鈦合金中形成的?相是在增材制造熱循環(huán)過程中形成的。

關(guān)鍵詞：鈦合金；選區(qū)激光熔化；原子團(tuán)簇；化學(xué)成分波動；拉伸性能

研究人員對比研究了一種選區(qū)激光熔化的Ti-Fe-Co-Mo合金單道樣品、單層樣品（如圖1）與塊體樣品內(nèi)部的微觀組織演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)單道樣品的微觀組織由β晶粒和無熱ω相組成（圖2a-c），單層樣品（由多熔道相互搭接而成）中存在少量α相及大量ω沉淀相（圖2d-i），塊體的樣品中則形成了大量α板條和等溫ω相（圖3a-c）。由此可見，打印態(tài)塊體樣品中形成的α相和等溫ω相均是增材制造過程熱循環(huán)的作用結(jié)果。在這些樣品的基體中還觀察到了Mo/Fe/Co原子團(tuán)簇。

圖1 選區(qū)激光熔化單道和單層樣品掃描電鏡顯微圖及FIB取樣情況

圖2 選區(qū)激光熔化的Ti-Fe-Co-Mo合金(a-c)單道樣品與(d-i)單層樣品透射電鏡結(jié)果

圖3 (a-c)選區(qū)激光熔化的Ti-Fe-Co-Mo塊體樣品微觀組織與(d-f)固溶處理的Ti-Fe-Co-Mo合金的微觀組織

經(jīng)β相區(qū)固溶處理后，Ti-Fe-Co-Mo合金中只存在β相及無熱ω相（圖3d-f）。利用三維原子探針對基體進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)合金中存在高密度的溶質(zhì)原子團(tuán)簇，團(tuán)簇中的溶質(zhì)原子數(shù)量在4到35之間（圖4）。溶質(zhì)原子團(tuán)簇的存在還造成了基體的成分波動。分子動力學(xué)模擬也發(fā)現(xiàn)合金在凝固過程中能夠形成原子團(tuán)簇(圖5)，原子團(tuán)簇的形成有助于降低合金系統(tǒng)的結(jié)合能。

圖4 Ti-Fe-Co-Mo合金中溶質(zhì)原子團(tuán)簇及成分分布的三維原子探針分析結(jié)果

圖5 分子動力學(xué)模擬研究表明Ti-Fe-Co-Mo合金中存在溶質(zhì)原子團(tuán)簇

固溶態(tài)的合金變形時，位錯與溶質(zhì)原子團(tuán)簇發(fā)生了復(fù)雜的交互作用，原子團(tuán)簇有效阻礙了位錯運(yùn)動，使位錯剪切原子團(tuán)簇所需的剪切應(yīng)力增加（圖6）。原子團(tuán)簇及成分波動還在基體中產(chǎn)生了原子應(yīng)變場的波動和畸變（圖7），形成交替變換的拉伸和壓縮應(yīng)變場，導(dǎo)致了較大的局部內(nèi)應(yīng)力，能夠阻礙位錯滑移，使合金強(qiáng)度提高。另外，原子團(tuán)簇不會完全阻止位錯運(yùn)動，當(dāng)剪切應(yīng)力達(dá)到一定值時，位錯能夠切過原子團(tuán)簇繼續(xù)滑移，因此有助于合金獲得良好的塑性。合金中的無熱?沉淀相也起到了很好的強(qiáng)化作用。這些促使合金在固溶態(tài)即獲得超高的屈服強(qiáng)度（＞1.2 GPa）與良好的塑性（延伸率>10%）（圖8）。此外，合金還表現(xiàn)出較高的加工硬化率。

圖6 運(yùn)動位錯與溶質(zhì)原子團(tuán)簇之間交互作用的分子動力學(xué)模擬研究

圖7 合金中成分波動導(dǎo)致的原子應(yīng)變場波動（拉伸應(yīng)變場和壓縮應(yīng)變場交替分布）

圖8 固溶態(tài)Ti-Fe-Co-Mo合金的（a）工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和（b）真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

本研究首次在增材制造的鈦合金中發(fā)現(xiàn)溶質(zhì)原子團(tuán)簇及成分波動的存在，并揭示了溶質(zhì)原子團(tuán)簇的形成機(jī)理及其對合金力學(xué)性能的影響機(jī)理。本研究的發(fā)現(xiàn)為鈦合金的強(qiáng)塑性協(xié)同提升開辟了新途徑，為新型高強(qiáng)韌鈦合金的設(shè)計(jì)提供了一條新思路。