北航邱春雷教授團(tuán)隊(duì)《AM》：鈦合金中溶質(zhì)原子團(tuán)簇的形成機(jī)理及對(duì)力學(xué)性能的影響

導(dǎo)讀：本文將介紹北京航空航天大學(xué)邱春雷教授團(tuán)隊(duì)研究人員在國(guó)際增材制造頂刊Additive Manufacturing (Impact Factor: 11) 雜志上發(fā)表的論文 “Solute clustering and its role in a titanium alloy made by laser powder bed fusion”。論文第一作者為陳旭博士，通訊作者為邱春雷教授。

摘要

近年來(lái)，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(dòng)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(bào)道，但其對(duì)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(kāi)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(guò)分子動(dòng)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(duì)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(guò)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(guò)程中，溶質(zhì)原子團(tuán)簇能夠有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，增加變形抗力，同時(shí)又允許位錯(cuò)切過(guò)，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(dòng)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(chǎng)，有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)并有助于強(qiáng)度的提高。由于原子團(tuán)簇及超細(xì)無(wú)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(guò)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(dòng)；拉伸性能

研究人員對(duì)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(wú)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(jiàn)，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(guò)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(wú)熱ω相（圖3d-f）。利用三維原子探針對(duì)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(dòng)。分子動(dòng)力學(xué)模擬也發(fā)現(xiàn)合金在凝固過(guò)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?lè)治鼋Y(jié)果

圖5 分子動(dòng)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(shí)，位錯(cuò)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(cuò)運(yùn)動(dòng)，使位錯(cuò)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(dòng)還在基體中產(chǎn)生了原子應(yīng)變場(chǎng)的波動(dòng)和畸變（圖7），形成交替變換的拉伸和壓縮應(yīng)變場(chǎng)，導(dǎo)致了較大的局部?jī)?nèi)應(yīng)力，能夠阻礙位錯(cuò)滑移，使合金強(qiáng)度提高。另外，原子團(tuán)簇不會(huì)完全阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)剪切應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，位錯(cuò)能夠切過(guò)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(wú)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(dòng)位錯(cuò)與溶質(zhì)原子團(tuán)簇之間交互作用的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究

圖7 合金中成分波動(dòng)導(dǎo)致的原子應(yīng)變場(chǎng)波動(dòng)（拉伸應(yīng)變場(chǎng)和壓縮應(yīng)變場(chǎng)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(dòng)的存在，并揭示了溶質(zhì)原子團(tuán)簇的形成機(jī)理及其對(duì)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(kāi)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。

論文引用格式：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.

原文下載鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104243