第一作者：高子彤
通讯作者：胡锐
通讯单位：西北工业大学凝固技术全国重点实验室、西北工业大学精确塑性成形实验室
DOI: 10.1016/j.jmst.2025.03.018
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团队深入研究了铸造Ti-48Al-3Nb-1.5Ta (at.%)亚稳组织在α+γ相区回火过程中的α片层析出及其诱发的γ纳米孪晶的形成。通过球差透射电镜技术深入解析了微观结构的演变及其相应的原子机制，并揭示了回火α片层析出和γ孪晶形成的机制。α片层在γ层错上形核并通过受扩散控制的“台阶—扭折—阶梯”界面机制生长。α片层的析出会在γ/α界面引发无法协调的应力集中，导致位错和层错等缺陷结构的发射，进而诱发γ纳米孪晶的形成。提出了新的γ孪晶与T型多重γ孪晶的生长机制，与位错的的非平面反应以及反相畴界的产生与湮灭有关。
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研究背景
铸造TiAl合金由于其轻质高温高强的优异特性备受关注。然而，铸造粗大组织导致的不良的室温塑性与损伤容限能力严重制约着铸造TiAl合金的进一步发展。研究发现，少量Ta添加于铸造TiAl合金中，一方面能够显著提高合金的高温抗氧化性能与蠕变性能；另一方面，能够独特、显著地促进快速冷却—回火热处理过程中的亚稳组织形成演化，从而细化铸造组织，进而提升合金室温塑性。然而，TiAl合金回火过程中的相变与组织演化情况复杂，人们对其缺乏研究，知之甚少，存在争议。本研究通过球差透射电镜技术深入解析了铸造TiAl合金亚稳组织回火过程中的α片层析出机制，首次在未经变形的TiAl合金中发现了γ→α相变应力诱发的纳米孪晶并分析了相关机理，为TiAl合金相变机制研究与组织细化控制提供了新的视角。
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本文亮点
- 揭示了铸造TiAl合金亚稳组织回火过程中α片层的析出机制，α片层在γ层错上形核并通过受扩散控制的“台阶—扭折—阶梯”界面机制生长。
- 首次在未经变形的TiAl合金中发现了γ→α相变应力诱发的纳米孪晶。α片层的析出会在γ/α界面引发无法协调的应力集中，导致位错和层错等缺陷结构的发射，进而诱发γ纳米孪晶的形成。
- 提出了新的γ孪晶与T型多重γ孪晶的生长机制，与位错的的非平面反应以及反相畴界的产生与湮灭有关。
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图文解析
本团队研究了铸造Ti-48Al-3Nb-1.5Ta合金亚稳组织在α+γ相区回火过程中的α片层析出及其诱发的γ纳米孪晶的形成过程。通过球差透射电镜技术深入解析了微观结构的演变及其相应的原子机制，并揭示了回火α片层析出和γ孪晶形成的机制。如下图所示：
图1 γ相基体内部析出的α片层的球差透射电镜表征：(a) α片层的原子结构；(b)(c)(d) γ/α界面肖克莱不全位错台阶及其伯氏回路分析；(e) 反傅里叶变换图。表征与分析表明，回火析出的α片层在γ相内部的层错位置切变形核，并通过扩散控制的“台阶—扭折—阶梯”机制生长。
图2 α片层析出诱发的应力集中与缺陷结构发射：(a) 位错发射；(b) 界面位错环弓出；(c) 层错发射；(d) 发射层错作为α片层的形核质点；(e)(f) 界面层错发射的位错的非平面反应机制。研究表明，α片层在γ相基体中的析出不能通过变体形成的方式协调界面应力，因此会在γ/α界面引发高的应力集中，导致位错和层错的发射。
图3 α片层析出诱发的纳米孪晶：(a) 大量的纳米孪晶；(b)(c) 纳米孪晶的生长；(d) 纳米孪晶的原子结构细节；(e) T型双纳米孪晶及其 (f) 原子结构细节。研究表明，γ纳米孪晶在γ/α界面发射的层错位置成核并向γ基体内部生长。
图4 γ纳米孪晶的生长机制：(a) 弗兰克位错攀移机制及其 (b) 伯氏回路分析；(c) 肖克莱位错滑移机制；(d) 与全位错非平面分解相关的复杂新机制及其 (e) 伯氏回路分析。
图5 T形双γ纳米孪晶的生长机制：(a)→(b)→(c)→(d)→(e)→(f) 与位错非平面反应、超不全位错合并、以及反相畴界湮灭相关的机制；(a)→(b)→(g)→(h)→(i)→ (j)→(k) 与位错非平面反应、超不全位错伴随滑移、以及伪孪晶界/反相畴界湮灭相关的机制。研究与分析表明，γ纳米孪晶通过弗兰克位错攀移、肖克莱位错滑移、以及与位错的非平面反应及反相畴界湮灭有关的复杂机制生长。
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总结与展望
- 回火析出的α片层在γ相内部的层错位置切变形核，并通过扩散控制的“台阶—扭折—阶梯”机制生长，相互交叉，没有择优取向；
- γ纳米孪晶是由α板条析出所引入的应力集中诱导产生的。它们在从γ/α界面发出的位错源处成核。确定并讨论了几种γ纳米孪晶单个生长和T形γ纳米孪晶形成的新的模式和机制。这些与位错和界面肖克利部分台阶的非平面反应以及反相畴界的湮灭有关；
- 由于缺乏驱动力，γ纳米孪晶的扩展长度限于亚微米级。回火过程中的高温通过激活位错的非平面反应与原子扩散过程，促进了γ纳米孪晶的形成。此外，Nb和Ta可以通过降低层错能及促进层错发射的方式，有利于回火过程中α板条析出和γ纳米孪晶的形成。
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作者介绍
胡锐，西北工业大学材料学院教授，博士生导师。长期在西北工业大学凝固技术国家重点实验室、西北工业大学材料学院材料系从事金属基复合材料、高温合金、金属间化合物及其制备技术的科研与教学工作。现任西北工业大学材料学院第四届学术委员会委员，先进材料服役可靠性团队负责人，曾任陕西省先进材料与凝固加工工程研究中心副主任。2007年入选教育部新世纪优秀人才计划，2010年获西安市经济技术开发区科技统筹带头人，2013年入选陕西省三秦人才，2017年入选江苏省泰州市高层次创新创业人才。现任陕西省机械工程学会热处理分会理事，中国有色金属工业协会铂族金属分会理事，中国航空学会高级会员，西安市机械工程学会热处理分会副理事长，曾任西安市铸造学会副秘书长，中国复合材料学会会员。任多个省部级项目评审专家。先后主持多项国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目。截至2024年，已培养博士16人，硕士50多人。先后发表期刊科研论文461篇，会议论文29篇，论文被SCI、EI等收录，被引用4967次，H指数41。获授权中国国家/国防发明专利50余项。
