《IJP》：揭示增材制造鈦合金微觀尺度不均勻滑移行為！

鈦合金憑借優(yōu)異的比強(qiáng)度與耐腐蝕性，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、機(jī)身承重結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部件中占據(jù)不可替代的地位。激光定向能量沉積（LDED）等增材制造技術(shù)的興起，突破了傳統(tǒng)制造工藝對(duì)大型復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的限制，實(shí)現(xiàn)了近凈成形與性能定制的雙重突破。在鈦合金中，colony 結(jié)構(gòu)（魏氏組織）是典型的微觀特征，由密排六方（hcp）的 α 相和體心立方（bcc）的 β 相以層狀交替排列而成。盡管 colony 內(nèi)部密集的 α/β 相界面能有效阻礙裂紋擴(kuò)展、提升材料抗裂性，但也帶來(lái)了復(fù)雜的變形行為差異 — 不同 colony 甚至同一colony內(nèi)部的滑移模式顯著不同，而此前研究多聚焦于宏觀變形規(guī)律，對(duì) colony 尺度下滑移行為的微觀機(jī)制認(rèn)識(shí)不足，限制了鈦合金微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化的精準(zhǔn)度。

近期，多倫多大學(xué)材料科學(xué)與工程系鄒宇教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合香港城市大學(xué)、密歇根大學(xué)、多倫多城市大學(xué)等機(jī)構(gòu)，針對(duì)LDED制備的Ti-6.5Al-2Mo-Zr-V近α鈦合金展開(kāi)深入研究，系統(tǒng)揭示了colony結(jié)構(gòu)中的滑移非均勻性及其微觀機(jī)制。相關(guān)成果發(fā)表于塑性領(lǐng)域頂級(jí)期刊《International Journal of Plasticity》（194 (2025) 104462）。香港城市大學(xué)劉志穎博士為論文第一作者及共同通訊作者，多倫多大學(xué)鄒宇教授為共同通訊作者。該研究建立在團(tuán)隊(duì)前期關(guān)于鈦合金剪切帶（IJP, 157 (2022) 103387）和疲勞裂紋擴(kuò)展（IJP, 172 (2024) 103819）的研究基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步深化了對(duì)鈦合金塑性變形機(jī)理的理解。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)表面滑移痕跡分析、透射電鏡（TEM）和電子背散射衍射（EBSD）等多種表征手段，系統(tǒng)解析了變形后合金的微觀滑移行為，發(fā)現(xiàn) colony 結(jié)構(gòu)中存在兩類(lèi)顯著的滑移模式（圖1）：一類(lèi)為均勻滑移，表現(xiàn)為密集、平行、平直的平面滑移線，嚴(yán)格沿基底面或棱柱面擴(kuò)展，滑移傳遞順暢，β 相幾乎不構(gòu)成阻礙；另一類(lèi)為異質(zhì)滑移，特征為波浪狀滑移跡線與強(qiáng)度不一的平面滑移共存，部分區(qū)域滑移局部化嚴(yán)重，形成粗大滑移帶，而其他區(qū)域滑移稀疏。尤為重要的是，研究首次在 colony 結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)并闡釋了波浪狀滑移跡線的成因：其源于〈a〉型螺位錯(cuò)在基底面、棱柱面及錐面之間的交滑移，而這些螺位錯(cuò)主要從受應(yīng)力集中的 α/β 界面發(fā)射；此外， 錐面〈c+a〉位錯(cuò)的激活和位錯(cuò)的局域化行為進(jìn)一步增加了滑移的復(fù)雜性，導(dǎo)致更顯著的異質(zhì)變形（圖2）。

圖1. 不同的colony滑移帶的差異：均勻滑移和非均勻滑移

圖2. 非均勻滑移colony內(nèi)部復(fù)雜的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)

該研究在理論層面首次建立了“相界面–位錯(cuò)行為–滑移形貌”的關(guān)聯(lián)機(jī)制，深化了對(duì)鈦合金局部塑性變形機(jī)理的理解，也為 hcp 結(jié)構(gòu)金屬的異質(zhì)變形研究提供了新視角。在工程應(yīng)用層面，本研究提出通過(guò)“相界面工程”調(diào)控位錯(cuò)行為、優(yōu)化滑移均勻性的新途徑，替代傳統(tǒng)僅依賴(lài)成分調(diào)整的策略，為設(shè)計(jì)高塑性、高可靠性的航空鈦合金提供了重要的理論依據(jù)和微觀設(shè)計(jì)指南。結(jié)合團(tuán)隊(duì)此前在剪切帶與疲勞裂紋方面的研究成果，該工作為L(zhǎng)DED制備高性能鈦合金組件提供了全鏈條微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，對(duì)推動(dòng)航空航天高端裝備關(guān)鍵部件的性能提升與應(yīng)用具有重要意義。

本文來(lái)自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝作者團(tuán)隊(duì)支持