鈦合金的強度主要取決于第二相α析出相與β基體之間的起到阻礙位錯運動的作用的界面。因此，了解、預測和控制α析出相的尺寸、形貌和空間分布，包括其取向的變化，對于針對特定應用的最佳性能，設計微觀組織是非常必要的。在晶界處或附近α析出相的兩種獨特的形貌，即在β熱處理加工經常觀察到的無定型α(GBα)和魏氏體(WS)。認為在晶界處或附近α析出相的取向和形貌取決于在特定晶界的GBα變體選擇。GBα的變體選擇(VS)在很大程度上是由宏觀上的取向差特征的晶界結構和晶界平面(GBP)傾斜角所決定。研究表明α在β晶界的析出時變體選擇仍存在潛在機制，而且GBα變體的慣習面相對于GBP可能產生一個隨機的傾斜角(以下定義為θ)。來自哈工大（深圳）等單位的研究者結合三維(3D)相場模擬和三維實驗表征，采用聚焦離子束/掃描電子顯微鏡(FIB/SEM)形貌和晶體取向分析，研究了對晶界析出相形貌發展的影響。相關論文以題為“Origin of morphological variation of grain boundary precipitates in titanium alloys”發表在Scripta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.114651

在β晶界處或附近有β晶粒被三種α板條修飾。對這三種晶界析出相的變體選擇行為分析表明，GBP傾斜決定了GBα的變體選擇，而非晶界取向錯。GBα1、GBα2和GBα3的傾斜角θ有些隨機，分別為73.18°、0°和90°。因此，只有GBα2的VS可能符合經驗規則。為了闡明晶界處α析出相形貌變化的物理機理，采用彈性和結構非均勻系統的三維相場模型，模擬了Ti-6Al-4V中在β晶界處α析出相的形核長大過程。模擬結果表明，α析出相沿GBP的橫向生長和由來自GBα的α板條演變之間的動態相互作用決定了最終的形貌，兩者都對于θ十分敏感。隨著θ的增加WS的生長優于GBα沿晶界的橫向生長。因此，隨著θ的增大，有一個逐漸的形貌轉變，從GBα片層和WS的混合物，到一個單獨的直接源于GBP的WS。根據θ的大小，兩個過程可以相互競爭，也可以相互補充。例如當θ=0°時，慣習面有明顯的趨勢平行于GBP。這樣不僅使GBα消除的晶界面積最大化，而且使彈性應變能最小化。因此，具有相同取向的多個α析出相的生長和隨后的合并形成一個GBα片層，而不是WS。一個最佳的形狀與一個定義明確的慣習面取向為對于一定體積的析出相提供了一個相對低界面能以及低彈性應變能的沉淀與給定體積,任何偏離(θ),將導致這些能上升。因此，當θ增大時，由于伴隨的“有問題”習慣面的發展將導致應變能和界面能的顯著增加，在GBP上的橫向演變或擴散將逐漸受到抑制。

圖1 (a) BSE圖像，(b) EBSD OIM圖像;(c)重建的β相取向圖;(d)在晶界及其附近的α析出相3D圖像;(e)-(f):GBα1、GBα2和GBα3在不同取向上的三維形貌。

圖2在β晶界處單個α析出相形貌演變

圖3在β晶界(t = 5.0 s)下，單個α析出相形貌與θ的關系。

圖4

圖5 α沉淀在β晶界成核的形貌演變。θ=30°

綜上所述，研究結果代表了對鈦合金力學性能有深遠影響的第二相沉淀物關鍵顯微組織特征的形成機理方面取得的重要進展。此外，使用先進的3D計算和表征工具來研究復雜的微觀結構發展的優勢適用于鈦合金以外的各種金屬材料。

審核編輯 ：李倩