北航邱春雷教授团队《AM》：钛合金中溶质原子团簇的形成机理及对力学性能的影响

导读：本文将介绍北京航空航天大学邱春雷教授团队研究人员在国际增材制造顶刊Additive Manufacturing (Impact Factor: 11) 杂志上发表的论文 “Solute clustering and its role in a titanium alloy made by laser powder bed fusion”。论文第一作者为陈旭博士，通讯作者为邱春雷教授。

摘要

近年来，研究人员在高浓度固溶体合金中发现局部化学有序畴、原子团簇和成分波动等，这些结构特征使合金获得了优异的强度-塑性结合。原子团簇在钛合金中也有一些报道，但其对力学性能的影响规律和机理还未清楚。近日，北航邱春雷教授团队在自主设计开发的一种增材制造亚稳态β钛合金中发现了高密度纳米溶质原子团簇的存在。通过分子动力学模拟与先进表征，他们研究了溶质原子团簇的形成机理及其对合金强度、塑性的影响规律和机理。另外，他们还研究了新型亚稳态β钛合金在选区激光熔化过程中的复杂微观组织演变规律。研究发现溶质原子团簇的形成有助于降低合金体系的结合能。在变形过程中，溶质原子团簇能够有效阻碍位错运动，增加变形抗力，同时又允许位错切过，因此产生了良好的强塑性结合。溶质原子团簇及成分波动的存在促使基体形成交替变换的纳米尺度拉伸与压缩应变场，有效阻碍位错运动并有助于强度的提高。由于原子团簇及超细无热沉淀相的存在，固溶态的钛合金即获得超高的屈服强度（>1.2GPa）。研究还发现打印态的亚稳态钛合金中形成的相是在增材制造热循环过程中形成的。

关键词：钛合金；选区激光熔化；原子团簇；化学成分波动；拉伸性能

研究人员对比研究了一种选区激光熔化的Ti-Fe-Co-Mo合金单道样品、单层样品（如图1）与块体样品内部的微观组织演变规律，发现单道样品的微观组织由β晶粒和无热ω相组成（图2a-c），单层样品（由多熔道相互搭接而成）中存在少量α相及大量ω沉淀相（图2d-i），块体的样品中则形成了大量α板条和等温ω相（图3a-c）。由此可见，打印态块体样品中形成的α相和等温ω相均是增材制造过程热循环的作用结果。在这些样品的基体中还观察到了Mo/Fe/Co原子团簇。

图1 选区激光熔化单道和单层样品扫描电镜显微图及FIB取样情况

图2 选区激光熔化的Ti-Fe-Co-Mo合金(a-c)单道样品与(d-i)单层样品透射电镜结果

图3 (a-c)选区激光熔化的Ti-Fe-Co-Mo块体样品微观组织与(d-f)固溶处理的Ti-Fe-Co-Mo合金的微观组织

经β相区固溶处理后，Ti-Fe-Co-Mo合金中只存在β相及无热ω相（图3d-f）。利用三维原子探针对基体进行分析发现合金中存在高密度的溶质原子团簇，团簇中的溶质原子数量在4到35之间（图4）。溶质原子团簇的存在还造成了基体的成分波动。分子动力学模拟也发现合金在凝固过程中能够形成原子团簇(图5)，原子团簇的形成有助于降低合金系统的结合能。

图4 Ti-Fe-Co-Mo合金中溶质原子团簇及成分分布的三维原子探针分析结果

图5 分子动力学模拟研究表明Ti-Fe-Co-Mo合金中存在溶质原子团簇

固溶态的合金变形时，位错与溶质原子团簇发生了复杂的交互作用，原子团簇有效阻碍了位错运动，使位错剪切原子团簇所需的剪切应力增加（图6）。原子团簇及成分波动还在基体中产生了原子应变场的波动和畸变（图7），形成交替变换的拉伸和压缩应变场，导致了较大的局部内应力，能够阻碍位错滑移，使合金强度提高。另外，原子团簇不会完全阻止位错运动，当剪切应力达到一定值时，位错能够切过原子团簇继续滑移，因此有助于合金获得良好的塑性。合金中的无热沉淀相也起到了很好的强化作用。这些促使合金在固溶态即获得超高的屈服强度（＞1.2 GPa）与良好的塑性（延伸率>10%）（图8）。此外，合金还表现出较高的加工硬化率。

图6 运动位错与溶质原子团簇之间交互作用的分子动力学模拟研究

图7 合金中成分波动导致的原子应变场波动（拉伸应变场和压缩应变场交替分布）

图8 固溶态Ti-Fe-Co-Mo合金的（a）工程应力-应变曲线和（b）真应力-应变曲线

本研究首次在增材制造的钛合金中发现溶质原子团簇及成分波动的存在，并揭示了溶质原子团簇的形成机理及其对合金力学性能的影响机理。本研究的发现为钛合金的强塑性协同提升开辟了新途径，为新型高强韧钛合金的设计提供了一条新思路。

论文引用格式：X. Chen, Y. Liu, J. Eckert, R.O. Ritchie, C.L. Qiu. Solute clustering and its role in a titanium alloy made by laser powder bed fusion[J]. Additive Manufacturing, 2024, 87: 104243.

原文下载链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104243