澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)馬前教授團(tuán)隊對鈦合金塊狀相變機(jī)理的研究取得新進(jìn)展, 近日在Scripta Materialia發(fā)表了題為 “ Massive transformations in titanium alloys: Role of relative orientation of adjacent parent grains” 的研究文章,逯圣路博士為第一作者。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646223004979

塊狀相變（massive transformation）是金屬和合金中一類發(fā)生在中溫區(qū)的短程擴(kuò)散型相變, 迥異于發(fā)生在低溫區(qū)的無擴(kuò)散型的馬氏體相變和發(fā)生在高溫區(qū)的長程擴(kuò)散型的各類相變。塊狀相變的典型特征是相變產(chǎn)物即塊狀相可以跨越原始母相的晶界生長, 觀察到的形態(tài)多為不規(guī)則的塊狀。此外, 塊狀相與母相之間可不受晶體學(xué)位相關(guān)系的約束。鈦合金中塊狀相變的發(fā)生對冷卻速度有一定的要求（短程擴(kuò)散型）, 一般可認(rèn)為在20°C/s以上。

國外的M. Hillert, T.B. Massalski, H.I. Aaronson等學(xué)者均對金屬和合金中的塊狀相變機(jī)理的研究做出了奠基性的貢獻(xiàn), 我國的徐祖耀院士等人也初步探索了塊狀相變, 但該領(lǐng)域前期的工作多集中于探討相變產(chǎn)物和母相的晶體學(xué)關(guān)系, 這也是固態(tài)相變研究的一個基本出發(fā)點。然而, 在塊狀相變機(jī)理問題的研究上, 前人似乎忽略了相鄰母相晶粒的晶體學(xué)相對取向?qū)K狀相變過程和產(chǎn)物的影響。

為使研究發(fā)現(xiàn)更具有普遍性, 該工作通過大量的電子背散射衍射（EBSD）技術(shù)和原始β晶粒重構(gòu)分析了電子束粉末床（EB-PBF）打印的Ti-6Al-4V合金,傳統(tǒng)工藝制備的Ti-6Al-4V合金,激光粉末沉積打印(L-DED) 的ATI425鈦合金(Ti-3.9Al-2.5V-1.5Fe-0.21O), L-DED Ti-0.35O-3Fe合金以及L-DED Ti-4Al-2V合金等三類工藝制備的四種鈦合金內(nèi)跨晶界生長的塊狀相兩側(cè)相鄰原始β晶粒的相對晶體學(xué)取向, 發(fā)現(xiàn)當(dāng)相鄰兩個β相晶粒的密排面{110}平行或者近平行時,可促進(jìn)塊狀相變的發(fā)生和αm相的跨晶界生長,并且αm相的{0001}極點與近平行的{110}極點重疊,但αm相的{11-20}極點發(fā)散（>15°）,說明塊狀相的生長偏離了Burgers位相關(guān)系。這應(yīng)該是第一次明確確認(rèn)塊狀相變過程中, 相鄰母相晶粒的晶體學(xué)相對取向?qū)K狀相變過程和產(chǎn)物有決定性的影響。

在α-β兩相鈦合金中, 塊狀相是不穩(wěn)定的,可分解為超細(xì)的α-β兩相, 這為優(yōu)化微觀組織以獲得高性能鈦合金提供了新的思路。

該課題組在鈦合金塊狀相變的相關(guān)文章包括Acta Materialia [104 (2016) 303 - 311] 和 Materials Characterizations [127 (2017) 146 - 152]。

圖1 （a, b）EB-PBF Ti-6Al-4V合金中的跨晶界生長的塊狀αm相和周邊魏氏組織的EBSD掃描結(jié)果,（c）SEM背散射顯示塊狀αm相原位分解生成的超細(xì)α-β組織,（d）塊狀αm相的極圖結(jié)果展現(xiàn)了的{11-20}極點的分散特性以及（e）重構(gòu)的相鄰原始β晶粒的相對取向

圖2 （a）傳統(tǒng)工藝制備的Ti-6Al-4V合金中的跨晶界生長的塊狀αm相和周邊魏氏組織的EBSD掃描結(jié)果顯示αm相的塊狀形貌和跨晶界生長行為, （b, c, d）SEM背散射照片觀察到的αm相內(nèi)部的超細(xì)α-β組織和附近典型的魏氏組織,（e, f）塊狀αm相的極圖結(jié)果展示了{(lán)11-20}極點的分散特性,而（g）為魏氏α束組織的極圖, {11-20}極點的不分散, （h）重構(gòu)的相鄰母相β晶粒的相對取向

圖3 （a）L-DED ATI 425合金中的跨晶界生長的塊狀αm相和周邊魏氏組織的EBSD掃描結(jié)果,（b）SEM背散射觀察到的塊狀αm相原位分解生成的超細(xì)α-β組織,（c）塊狀αm相的極圖展示了{(lán)11-20}極點的分散特性以及（d）重構(gòu)的相鄰母相β晶粒的相對取向,其中母相β晶粒⑩和?以及?和?的{110}偏離較大,晶界上未有塊狀相變發(fā)生