澳大利亚皇家墨尔本理工大学马前教授团队对钛合金块状相变机理的研究取得新进展, 近日在Scripta Materialia发表了题为 “ Massive transformations in titanium alloys: Role of relative orientation of adjacent parent grains” 的研究文章,逯圣路博士为第一作者。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646223004979

块状相变（massive transformation）是金属和合金中一类发生在中温区的短程扩散型相变, 迥异于发生在低温区的无扩散型的马氏体相变和发生在高温区的长程扩散型的各类相变。块状相变的典型特征是相变产物即块状相可以跨越原始母相的晶界生长, 观察到的形态多为不规则的块状。此外, 块状相与母相之间可不受晶体学位相关系的约束。钛合金中块状相变的发生对冷却速度有一定的要求（短程扩散型）, 一般可认为在20°C/s以上。

国外的M. Hillert, T.B. Massalski, H.I. Aaronson等学者均对金属和合金中的块状相变机理的研究做出了奠基性的贡献, 我国的徐祖耀院士等人也初步探索了块状相变, 但该领域前期的工作多集中于探讨相变产物和母相的晶体学关系, 这也是固态相变研究的一个基本出发点。然而, 在块状相变机理问题的研究上, 前人似乎忽略了相邻母相晶粒的晶体学相对取向对块状相变过程和产物的影响。

为使研究发现更具有普遍性, 该工作通过大量的电子背散射衍射（EBSD）技术和原始β晶粒重构分析了电子束粉末床（EB-PBF）打印的Ti-6Al-4V合金,传统工艺制备的Ti-6Al-4V合金,激光粉末沉积打印(L-DED) 的ATI425钛合金(Ti-3.9Al-2.5V-1.5Fe-0.21O), L-DED Ti-0.35O-3Fe合金以及L-DED Ti-4Al-2V合金等三类工艺制备的四种钛合金内跨晶界生长的块状相两侧相邻原始β晶粒的相对晶体学取向, 发现当相邻两个β相晶粒的密排面{110}平行或者近平行时,可促进块状相变的发生和αm相的跨晶界生长,并且αm相的{0001}极点与近平行的{110}极点重叠,但αm相的{11-20}极点发散（>15°）,说明块状相的生长偏离了Burgers位相关系。这应该是第一次明确确认块状相变过程中, 相邻母相晶粒的晶体学相对取向对块状相变过程和产物有决定性的影响。

在α-β两相钛合金中, 块状相是不稳定的,可分解为超细的α-β两相, 这为优化微观组织以获得高性能钛合金提供了新的思路。

该课题组在钛合金块状相变的相关文章包括Acta Materialia [104 (2016) 303 - 311] 和 Materials Characterizations [127 (2017) 146 - 152]。

图1 （a, b）EB-PBF Ti-6Al-4V合金中的跨晶界生长的块状αm相和周边魏氏组织的EBSD扫描结果,（c）SEM背散射显示块状αm相原位分解生成的超细α-β组织,（d）块状αm相的极图结果展现了的{11-20}极点的分散特性以及（e）重构的相邻原始β晶粒的相对取向

图2 （a）传统工艺制备的Ti-6Al-4V合金中的跨晶界生长的块状αm相和周边魏氏组织的EBSD扫描结果显示αm相的块状形貌和跨晶界生长行为, （b, c, d）SEM背散射照片观察到的αm相内部的超细α-β组织和附近典型的魏氏组织,（e, f）块状αm相的极图结果展示了{11-20}极点的分散特性,而（g）为魏氏α束组织的极图, {11-20}极点的不分散, （h）重构的相邻母相β晶粒的相对取向

图3 （a）L-DED ATI 425合金中的跨晶界生长的块状αm相和周边魏氏组织的EBSD扫描结果,（b）SEM背散射观察到的块状αm相原位分解生成的超细α-β组织,（c）块状αm相的极图展示了{11-20}极点的分散特性以及（d）重构的相邻母相β晶粒的相对取向,其中母相β晶粒⑩和?以及?和?的{110}偏离较大,晶界上未有块状相变发生