【原】哈工大《Scripta Materialia》：钛合金晶界析出相形态变化机理！

编辑推荐：文章采用三维相场模拟、3D实验表征和晶体取向分析相结合的方法，系统研究了β-钛合金中析出相的无定型α相和魏氏组织(WS)的形貌变化。结果表明，无定型α的惯习面与基体晶界平面的夹角 θ,决定了晶界析出相的形貌。首次观察了三种不同在β晶界被两个临界角（θ1 c，θ2 c）区分的α形貌体系，θ≤θ1 c无定型α修饰晶界成板条状；θ1 c<θ≤θ2 c，α析出相以无定型α和WS以混合物的形式出现；θ>θ2 c，WS本身直接从裸露晶界生长。这种显著的形貌变化是由于沿晶界面的传播和GB析出相的晶内生长之间的动态相互作用造成的，而这取决于 θ角。

钛合金的强度主要取决于第二相α析出相与β基体之间的起到阻碍位错运动的作用的界面。因此，了解、预测和控制α析出相的尺寸、形貌和空间分布，包括其取向的变化，对于针对特定应用的最佳性能，设计微观组织是非常必要的。

在晶界处或附近α析出相的两种独特的形貌，即在β热处理加工经常观察到的无定型α(GBα)和魏氏体(WS)。认为在晶界处或附近α析出相的取向和形貌取决于在特定晶界的GBα变体选择。GBα的变体选择(VS)在很大程度上是由宏观上的取向差特征的晶界结构和晶界平面(GBP)倾斜角所决定。研究表明α在β晶界的析出时变体选择仍存在潜在机制，而且GBα变体的惯习面相对于GBP可能产生一个随机的倾斜角(以下定义为θ)。

来自哈工大（深圳）等单位的研究者结合三维(3D)相场模拟和三维实验表征，采用聚焦离子束/扫描电子显微镜(FIB/SEM)形貌和晶体取向分析，研究了对晶界析出相形貌发展的影响。相关论文以题为“Origin of morphological variation of grain boundary precipitates in titanium alloys”发表在Scripta Materialia。     

论文链接：

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

在β晶界处或附近有β晶粒被三种α板条修饰。对这三种晶界析出相的变体选择行为分析表明，GBP倾斜决定了GBα的变体选择，而非晶界取向错。GBα₁、GBα₂和GBα₃的倾斜角θ有些随机，分别为73.18°、0°和90°。因此，只有GBα₂的VS可能符合经验规则。为了阐明晶界处α析出相形貌变化的物理机理，采用弹性和结构非均匀系统的三维相场模型，模拟了Ti-6Al-4V中在β晶界处α析出相的形核长大过程。

模拟结果表明，α析出相沿GBP的横向生长和由来自GBα的α板条演变之间的动态相互作用决定了最终的形貌，两者都对于θ十分敏感。随着θ的增加WS的生长优于GBα沿晶界的横向生长。因此，随着θ的增大，有一个逐渐的形貌转变，从GBα片层和WS的混合物，到一个单独的直接源于GBP的WS。根据θ的大小，两个过程可以相互竞争，也可以相互补充。例如当θ=0°时，惯习面有明显的趋势平行于GBP。这样不仅使GBα消除的晶界面积最大化，而且使弹性应变能最小化。

因此，具有相同取向的多个α析出相的生长和随后的合并形成一个GBα片层，而不是WS。一个最佳的形状与一个定义明确的惯习面取向为对于一定体积的析出相提供了一个相对低界面能以及低弹性应变能的沉淀与给定体积,任何偏离(θ),将导致这些能上升。因此，当θ增大时，由于伴随的“有问题”习惯面的发展将导致应变能和界面能的显著增加，在GBP上的横向演变或扩散将逐渐受到抑制。

图1 (a) BSE图像，(b) EBSD OIM图像;(c)重建的β相取向图;(d)在晶界及其附近的α析出相3D图像;(e)-(f): GBα₁、GBα₂和GBα₃在不同取向上的三维形貌。

图2 在β晶界处单个α析出相形貌演变

图3在β 晶界(t = 5.0 s)下，单个α析出相形貌与θ的关系。

图4

图5 α沉淀在β晶界成核的形貌演变。θ=30∘

综上所述，研究结果代表了对钛合金力学性能有深远影响的第二相沉淀物关键显微组织特征的形成机理方面取得的重要进展。此外，使用先进的3D计算和表征工具来研究复杂的微观结构发展的优势适用于钛合金以外的各种金属材料。（文：晓太阳）