Ti合金中α(hcp)/β(bcc)相变的原位透射电镜研究

Titanium alloys are important for applications including aerospace, bio-medical and energy. The most common type of titanium alloys in applications contain α and β two phases. Understanding the α to β phase transition mechanism is critical not only for studying the mechanical properties and deformation mechanism of two phase titanium alloys, but also for the structural design for optimal properties. However, our progress in this subject is still limited due to the experimental difficulties. The state of the art in situ transmission electron microscope characterization offers powerful tool for this study. In this project, we will combine the focused ion beam machining, MEMS based heating chips and in situ heating holder to investigate the nucleation of β phase in α titanium and the growth with high space and time resolution. Specifically, we will combine ultra-fast camera to study the nucleation event of β phase, the behaviors of interfacial dislocations, phase boundary migration and the interaction of matrix dislocations and interfacial dislocations. This study will help our understanding on the fundamental mechanism of phase transition and shed light on microstructural design for advanced mechanical properties of two phase titanium alloys.

钛合金在航空航天，医疗和能源等领域具有广泛的应用。而目前应用最为广泛的钛合金普遍具有α和β双相组织。研究两相组织的形成过程和相变机理对于我们理解双相钛合金力学性能和进行微结构设计以实现材料性能优化有着重要意义。虽然对这种bcc/hcp系统的相变晶体学前人已做过较为深入的分析和推测，但相关实验证明尚欠缺，使得对其相变理论认识仍不圆满。原位透射电镜表征提供了直接观察相变过程的可能，但传统的原位加热实验无法达到理想的高空间和时间分辨率。本项目将通过结合聚焦离子束加工和基于MEMS加热芯片的原位测试平台，对钛合金中β相的形核和生长进行高空间分辨率和高时间分辨率的直接观察。特别是结合超快图像捕捉技术，重点研究第二相的形核，两相界面的迁移，界面位错的运动和晶体位错与界面位错的反应以及它们对β相生长的影响等，为准确理解钛合金中的相变过程和机制提供证据；为通过微结构设计实现材料性能优化提供理论研究基础。

钛合金广泛应用于航空航天和生物医学领域，钛合金包含低温稳定的密排六方结构α相和高温稳定的体心立方结构β相两种相结构。在钛合金的实际应用中，通常需要两种相的结合来满足实际应用的机械性能需求，而合金元素的加入会改变两相的稳定性、相变温度点等性质，改变材料中元素扩散动力学，如Mo、Nb等元素的加入可以使β相更为稳定，降低相变所需温度。但是对于两相相变过程仍然缺乏原子尺度的直接观察和理解，因此理解新相如何从其母相中演化生成对于控制材料微观结构和材料力学性能至关重要。基于此，本项目主要研究内容为在亚埃分辨率下，研究双相钛合金α-β相变形核机制，提供相变过程的关键实验性证据，具体工作为：（1）双相钛合金微观结构和成分分布表征；（2）双相钛合金α-β相变的原位观察；（3）双相钛合金α-β相变过程的模拟计算分析。.我们选取Ti-Mo双相合金作为研究对象，针对相变过程设计了微观结构和成分分布表征、不同尺度下原位加热实验和基于实验结果的模拟计算，对α-β相变过程进行直接观察，获取结构演化的关键信息。通过结合实验和模拟，得到了Ti-Mo双相合金中的α-β相变完整过程，其完整路径为：无序HCP结构-Mo元素浓度增加的HCP超结构，即超六方结构-BCC超结构-无序BCC结构。获取了相变过程微观结构演化的关键证据，提出了相关的非经典形核机制。.研究表明复杂中间相和非经典形核机制的引入可以大大降低经典形核理论下相变发生所需要的高额能垒，促进相变发生。研究工作同样表明了先进原位电镜观察和原子级模拟计算在探索相变过程中的重要性，前者提供准确相结构，后者提供高时间分辨率的相变细节，完整揭示相变机制。而理解α-β相变形核机制有助于在实际生产中控制材料微观结构，生产符合使役性能标准的钛合金，有利于钛合金在高温环境和生物医学领域中的应用。