两相钛基合金广泛应用于航空航天和生物医学领域，它们是通过低温六边形封闭填充α相和高温体心立方β相之间的相变得到的。理解一种新相是如何从其母相演化而来的，对于控制相变微结构和材料性能至关重要。
在此，来自浙江大学的余倩、西安交通大学的张伟和马恩、美国宾夕法尼亚州立大学的Long-qing Chen等研究者，在亚-埃级分辨率报道了技术上重要的钛钼合金中，连接α相和β相的非经典核亚稳相的时间分辨实验证据。相关论文以题为“Atomic-scale observation of non-classical nucleation-mediated phase transformation in a titanium alloy”发表在Nature Materials上。更多精彩专业视频请抖音搜索'材料科学网'。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41563-021-01144-7
固态相变被广泛应用于金属合金的设计和加工中，是发展具有理想性能的微结构的关键。经典的成核和生长机制是从一个新相的成核开始的，该新相的晶体结构和组成与最终平衡产物相相同。然而，这张简单的图并不能解释许多合金体系中的相变路径。通常，在演化到产物相之前，有一个或多个中间状态，这些状态在成分、晶体结构和化学顺序方面与产物相明显不同。中间态是亚稳态，随着它的演化，它的热力学性质也会发生变化，包括它与周围环境的界面能。在这些情况下，形核通常涉及亚稳态相，而亚稳态相甚至没有出现在所研究的合金体系的平衡相图中。
钛基合金，广泛应用于航空航天和生物医学领域，通常是低温六角形封闭填充α相和高温体心立方β相的混合物。双相组合通过合金化β稳定元素(如Mo, Nb, Ta)和α稳定元素(如O, Al, La)来调节。这些合金元素，改变了纯钛(882 C)的α-β平衡转变温度及其扩散动力学，极大地增加了相变的复杂性。基于解剖实验图像和计算机模拟，提出并研究了钛合金β -α相变过程中的非经典成分波动形核或伪自旋结形核。在最近的一项Cu元素研究中，在晶界处发现了非常规的有序结构。然而，相变机制是基于原子模拟通过机器学习方法假设的。
眼见为实。原子尺度和高时间分辨率的原位观测，是明确阐明复杂相变早期阶段的最终方法。但这仍然是一个挑战，因为合金中的亚稳核在过渡到新产品相和最终平衡相的核的纳米长度尺度之前，寿命通常很短。
在这里，以Ti-Mo合金为代表系统，研究者报告了在亚-埃分辨率下直接和时间分辨的实验观察非经典形核介导相变。钼是高温钛合金的重要合金元素，特别是针对短期高温强度的合金，少量的钼就足以触发相变。
本文以二元Ti-Mo合金为基本成分，研究了含Mo钛合金双相组织的热稳定性，探讨了在原位透射电镜(TEM)观测可行的热退火温度下的相变过程。结合原位扫描透射电子显微镜(STEM)加热实验和基于密度泛函理论(DFT)的分子动力学(MD)计算，建立了Ti-Mo双相合金中β相的非经典成核机制。了解Ti-Mo合金中α-to-β相变机理，是控制bcc析出相形成的重要步骤。
研究者观察到在α相基体中观察到纳米级的化学有序上层结构；它的组成、化学顺序和晶体结构都与母相和产物相不同，但在转化为β相时产生了一个极低的能垒。当上部结构中的钼浓度超过一个临界值时，后一种相变可以通过振动开关立即进行。
图1 Ti-Mo双相合金。
图2 在~650℃下的原位TEM和STEM表征表明非经典成核过程。
图3 原位STEM表征和DFT建模。
图4 相变的DFT模型。
综上所述，研究者通过实验实时观察了Ti-Mo双相合金，在亚-埃级分辨率下非经典形核介导的α-β相变。原位STEM实验和从头模拟之间的原子逐个原子的比较表明了一个清晰的原子尺度的转化途径：在Ti-Mo含量为5.5 at.%时，平衡的化学无序bcc相的形核，在Mo之前有中间步骤，包括成分漂移和亚稳化学顺序：无序的hcp→含Mo增加的亚稳态hcp上层结构→bcc上层结构→无序的bcc。Mo原子的化学排序为纳米级的超-六边结构，可以很容易地转化为bcc，并具有可通过原子振动克服的极低能量势垒—中间超-六边结构接近于BCC，因此，原子重组只需要在振动振幅的尺度上有微小的位移。
该研究也证明了协同的原位原子分辨率观测和最先进的原子模型，在探索原子尺度过程的重要性，如相变的早期阶段。实验观测提供了平衡态和中间态的高保真原子结构，原子模拟在超高时间分辨率下有助于阐明原子机制和定量能量学。通过研究β相在α中的成核机理，可以更好地控制双相钛合金的微观组织，从而获得不同应用条件下的理想力学性能。此外，高温下的原位TEM监测提供了有关近使用温度下微观结构稳定性的急需信息，特别是由于Ti-Mo的目标是短期高温强度。
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