登上《自然》子刊！浙大学者“火眼金睛”看清金属钛的相变过程

钛是一种重要的结构金属。钛合金因为具有材质轻、比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于航空航天、人体医学等各个领域，比如飞机和舰艇的结构件等。

近日，浙江大学电子显微镜中心张泽院士团队余倩教授课题组与其他高校合作开展了一项有关钛合金高温下的微观结构演化研究。科研人员利用先进的原位、多尺度电子显微镜技术，结合同步辐射和计算机模拟，对钛钼二元合金中的α-β相变机制进行了系统深入的研究，发现该相变过程与经典形核理论的描述具有显著差异。

这项成果于北京时间11月26日在《自然》子刊Nature Materials上在线发表。浙江大学电子显微镜中心博士后符晓倩、西安交通大学材料创新设计中心博士生王旭东为论文的共同第一作者。浙江大学张泽院士团队余倩、西安交通大学马恩、张伟以及美国宾州州立大学陈龙庆为本文的共同通讯作者。其他重要的合作者包括上海同步辐射光源文闻、清华大学张文征、中国科学院物理研究所谷林、张庆华等人。

合金中的相，通常是指材料中具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质、并以界面相互隔开的均匀组成部分。由于结构、成分等差异，不同的相具有不同的性能。在材料设计中，利用不同相的性能特点，取长补短，可使材料整体性能优化。

像钛合金，通常需要利用两种相的结合以达到相得益彰的效果，例如密排六方结构的低温相α和体心立方结构的高温相β。而两相的比例以及各自的大小、形状和分布通常依靠相变来调控。相变，通俗来讲就是在外界条件的诱发下，从一个相到另一相的转变。

“要想实现精准相结构调控，首先就需要看清相变的真实发生过程，摸清相变的规律。

相变理论中的经典形核长大机制是这样描述的：新相起始于母相中源于热激活涨落出现的一个纳米尺度的新相胚胎，其成分和结构均与相图中预言的最终相变产物相同。打个比方，母相生了一个宝宝，这个宝宝从一开始就和最终相变产物一样，只不过很小，后来慢慢长大。

然而实际情况真的如此吗？由于相变初始过程尺度小、时间短、可能性多，难以直接观测。钛合金中α固溶体和β固溶体间的相变通常在高温下发生，前人虽有相关的研究报道，但对相变早期过程尚缺乏原位和原子尺度的直接观察和理解，对相变机制的认知并不清晰。

利用先进的原位、多尺度电子显微镜技术，结合同步辐射和计算机模拟，符晓倩等对钛钼二元合金中的α-β相变机制进行了系统深入的研究，发现该相变过程与经典形核理论的描述具有显著差异。具体来说，研究人员发现当温度升高至相变点以下100℃左右时，钼原子开始显著扩散到α相中，且随其浓度不断升高，钼原子开始有序排列，在α相中形成纳米尺度大小的亚稳态超晶格结构团簇。超晶格结构中钼浓度的进一步升高促使原本的密排六方结构失稳，瞬间转变为体心立方结构，实现从α到β的相变。超晶格亚稳结构的成分和结构既不同于母相α，又不同于终相β。“这就好比，母相生出来的小宝宝，一开始跟最终相变产物长得并不像，后来慢慢才长成了最终相的样子。这是和之前的经典理论的描述完全不同的现象。”符晓倩说。

据了解，这次发现是非经典形核固态相变在钛合金中的首次报道，也是原位、原子尺度实验与计算模拟紧密结合的成功案例。研究成果也对其它合金固态相变机制的研究具有启示性作用。

该研究得到了国家自然科学基金委的大力支持。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-021-01144-7