王　棟，王云志,2

(1.西安交通大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)研究院，金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049)(2.俄亥俄州立大學(xué)材料科學(xué)工程系，美國(guó)，俄亥俄州 43210)

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特約專欄

集成計(jì)算材料工程在鈦合金微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的進(jìn)展

王棟1，王云志1,2

(1.西安交通大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)研究院，金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049)(2.俄亥俄州立大學(xué)材料科學(xué)工程系，美國(guó)，俄亥俄州 43210)

摘要：基于集成計(jì)算材料工程的思想，結(jié)合CALPHAD、相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模擬與關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段、以及鈦合金中最新發(fā)現(xiàn)的非傳統(tǒng)的固-固相變機(jī)制，和近來(lái)提出的偽調(diào)幅分解相變機(jī)制為鈦合金微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了新的方向。這一機(jī)制首先被Ni 和Khachaturyan提出并用來(lái)解釋斜紋組織的形成，并被Fraser等人引入到鈦合金體系，Banerjee和Wang等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬證明了其正確性，這種新的轉(zhuǎn)變路徑為設(shè)計(jì)具有超細(xì)、超均勻α+β相微觀結(jié)構(gòu)新型鈦合金提出了新的設(shè)計(jì)思路，并且有可能產(chǎn)生新的機(jī)械性能。另外，為了擴(kuò)展制備超細(xì)、超均勻鈦合金微觀結(jié)構(gòu)所需的溫度及成分范圍，基于存在的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，F(xiàn)raser等人提出了一種通過(guò)預(yù)先預(yù)相分離來(lái)產(chǎn)生成分和結(jié)構(gòu)不均勻，進(jìn)而改進(jìn)鈦合金微觀結(jié)構(gòu)的新方法，作者團(tuán)隊(duì)基于熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)和相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)的計(jì)算機(jī)模擬證明了其存在。對(duì)集成計(jì)算材料工程方法在提高設(shè)計(jì)與選擇具有超細(xì)、超均勻微觀結(jié)構(gòu)的鈦合金的效率方面進(jìn)行了評(píng)論總結(jié)，集成計(jì)算材料工程為鈦合金的開發(fā)設(shè)計(jì)提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：鈦合金；相變；偽調(diào)幅分解機(jī)理；計(jì)算機(jī)模擬；相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)

1前言

集成計(jì)算材料工程(ICME)是材料基因組計(jì)劃(The Materials Genome Initiative-MGI)的重要部分，它旨在把計(jì)算材料科學(xué)的工具集成成一個(gè)整體系統(tǒng)以加速材料的開發(fā)，改造工程設(shè)計(jì)的優(yōu)化過(guò)程，并把設(shè)計(jì)和制造統(tǒng)一起來(lái)，從而在實(shí)際制備之前就實(shí)現(xiàn)材料、制造過(guò)程和構(gòu)件的計(jì)算機(jī)優(yōu)化，其最終目標(biāo)是提高先進(jìn)材料的發(fā)現(xiàn)、開發(fā)、制造和使用的速度。

大部分合金結(jié)構(gòu)材料都由多相組成，并且可以通過(guò)第二相析出物的形成來(lái)進(jìn)行強(qiáng)化。第二相析出物顆粒的體積分?jǐn)?shù)、尺寸、形狀、取向、共格性以及第二相顆粒的空間分布特性決定了合金的微觀結(jié)構(gòu)，并將進(jìn)一步影響結(jié)構(gòu)材料的變形機(jī)制和力學(xué)性能。其中的各向異性界面的密度和特征以及它們的空間均勻性起著非常重要的作用。例如，鋁合金結(jié)構(gòu)材料是在一個(gè)極小的原子尺度內(nèi)，通過(guò)形成亞穩(wěn)的GP區(qū)來(lái)獲得極高的強(qiáng)度[1-3]；形成超細(xì)層狀鐵素體+滲碳體[4-5]或鐵素體+奧氏體的[6]的超高強(qiáng)度和超高韌性鋼；鎳基高溫合金高溫強(qiáng)度的提高在很大程度上是通過(guò)細(xì)化沉淀相(Ni3Al結(jié)構(gòu))的尺寸(納米尺度)來(lái)實(shí)現(xiàn)的[7-8]。對(duì)于鈦合金來(lái)說(shuō)，其隨成分及處理工藝的不同，將產(chǎn)生多種的相變并最終導(dǎo)致出現(xiàn)多種非平衡相。這一方面為通過(guò)相設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)鈦合金的性能提供了極大空間，另一方面增加了相設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和難度。以鈦合金中的α相形成為例，低溫α相通常通過(guò)兩種方式形成，一種是沿β晶粒的晶界形核長(zhǎng)大[9-10]；另一種是魏氏組織，它既可以沿α相晶界形核，也可以從已有的魏氏組織片形核[10-12]，形成相對(duì)較粗的集群狀層片組織。絕大部分形核是以非均勻形核的方式進(jìn)行，只有極少甚至幾乎沒(méi)有均勻晶內(nèi)析出相存在。然而，最近一些激動(dòng)人心的新理論[13-14]和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[15]為我們利用新的、非傳統(tǒng)的晶內(nèi)轉(zhuǎn)變的方法來(lái)開發(fā)和設(shè)計(jì)超細(xì)、超均勻的兩相組織(α+β)提供了機(jī)遇和可能?；贜i 和Khachaturyan為解釋斜紋組織的形成所提出的偽調(diào)幅分解機(jī)制這一概念[14]，F(xiàn)raser 等人提出了設(shè)計(jì)超細(xì)鈦合金兩種新機(jī)理。

預(yù)相分離機(jī)理：母相β預(yù)先分離成在空間均勻分布的納米尺度的β相穩(wěn)定元素富集區(qū)和β相穩(wěn)定元素貧化的區(qū)域(α相穩(wěn)定元素富集區(qū))，在后續(xù)相變中β相穩(wěn)定元素貧化的區(qū)域轉(zhuǎn)變成α相。

圖1　鈦合金中的兩種非經(jīng)典形核機(jī)理：(a)偽調(diào)幅分解機(jī)理，(b)預(yù)相分離機(jī)理Fig.1　(a) Pseudo-spinodal mechanism and (b) precursory spinodal mechanism

本文將對(duì)這兩種非經(jīng)典轉(zhuǎn)變機(jī)制在鈦合金中的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，通過(guò)相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模擬的方法，集成原子尺度模擬所獲得的模量、熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)以及實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)，發(fā)展一種集成計(jì)算材料科學(xué)與工程的方法加速實(shí)現(xiàn)材料獨(dú)特的轉(zhuǎn)變機(jī)制和材料設(shè)計(jì)理念，來(lái)研制并開發(fā)組織均勻細(xì)小的，性能更加優(yōu)異的新一代鈦合金。

2模擬預(yù)測(cè)方法

為了描述這些晶間/晶內(nèi)轉(zhuǎn)變的多種路徑，材料組織計(jì)算模型必須能夠同時(shí)處理均勻/連續(xù)的(如：同成分有序化、調(diào)幅有序化和調(diào)幅分解)和非均勻的(傳統(tǒng)形核與長(zhǎng)大)轉(zhuǎn)變?；谔荻葻崃W(xué)和微觀彈性理論，相場(chǎng)方法(又稱為彌散界面方法)為嚴(yán)格有效地處理這些極具挑戰(zhàn)性的復(fù)雜問(wèn)題提供了一個(gè)理想的理論框架。在相場(chǎng)方法中，任何一個(gè)多相體系的總體自由能(包括：化學(xué)、彈性和界面能)都是由一個(gè)包含了局部化學(xué)、結(jié)構(gòu)以及他們的空間變化(梯度)的泛函來(lái)描述。不論是調(diào)幅有序化/分解或者通過(guò)形核長(zhǎng)大的相分離，在多維自由能成分曲面(勢(shì)能面)上的最小能量路徑自動(dòng)決定了轉(zhuǎn)變路徑和沿著該路徑的母相和生成相之間微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

圖2　相場(chǎng)模擬預(yù)測(cè)的顯微組織與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比(實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)自Fraser小組研究工作)：(a) 織構(gòu)控制的晶粒生長(zhǎng), (b) 交叉板和包狀顯微結(jié)構(gòu), (c) 球形α, (d) 邊片α, (e) 網(wǎng)籃狀結(jié)構(gòu), (f) 調(diào)幅分解產(chǎn)生的成分分布[16]Fig.2　Microstructure comparisons between phase field simulations and experiments of Ti alloys[16]

圖3　殘余應(yīng)力影響下多晶β相中α相析出過(guò)程中的晶向選擇的相場(chǎng)模擬： (a)起始單相β的多晶顯微組織，(b)多晶樣品在一個(gè)體積元中的應(yīng)力場(chǎng)(σ11)，(c)在(b)的局部應(yīng)力狀態(tài)影響下一個(gè)晶粒中形成的α相團(tuán)，(d)在沉淀過(guò)程中不同晶向的體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化，(e)實(shí)驗(yàn)觀察到的微米織構(gòu)和裂紋萌生之間的相關(guān)性[12,17]Fig. 3　Phase field simulations of variant selection of α phase in Ti alloys[12,17]

利用第一原理計(jì)算結(jié)果、相圖熱力學(xué)計(jì)算和擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)以及高通量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得相場(chǎng)模擬所需要的定量輸入?yún)?shù)，通過(guò)微觀相場(chǎng)模型模擬α相晶內(nèi)轉(zhuǎn)變路徑的早期微觀組織的演變過(guò)程。在模擬預(yù)測(cè)中，定量相場(chǎng)模型的關(guān)鍵因素取決于輸入?yún)?shù)的準(zhǔn)確性。如前所述，作者研究團(tuán)隊(duì)主要通過(guò)結(jié)合關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、原子尺度的模擬以及相圖熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)獲得模型所需要的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)。對(duì)于微觀相場(chǎng)中的梯度能量系數(shù)的確定，作者將通過(guò)擬合實(shí)驗(yàn)表征和原子模擬手段所獲得的成分與結(jié)構(gòu)序參量沿著界面的變化曲線來(lái)確定。最初的擬合過(guò)程可以通過(guò)試錯(cuò)法來(lái)實(shí)現(xiàn)，然后可以通過(guò)更加復(fù)雜的最小二乘法迭代的數(shù)值計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)。析出相/基體界面的缺陷將影響界面能、共格彈性應(yīng)變能和界面原子動(dòng)力學(xué)特性。作者將利用晶體學(xué)理論(包括邊邊匹配、O點(diǎn)陣和拓?fù)鋵W(xué)理論)和實(shí)驗(yàn)表征手段來(lái)確定半共格界面缺陷的結(jié)構(gòu)(包括界面位錯(cuò)的伯格斯矢量、位錯(cuò)間距、結(jié)構(gòu)臺(tái)階的高度及間距等)?；谶@種方法，近來(lái)的模擬確定了Ti-6Al-4V合金β基體中半共格界面缺陷結(jié)構(gòu)對(duì)α析出相的相變應(yīng)變、界面能各向異性、慣習(xí)面取向以及α析出相平衡形狀的影響，所獲得的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果定量相符[18]。根據(jù)界面移動(dòng)的遷移率和擴(kuò)散原子的相對(duì)大小，第二相的生長(zhǎng)可以分為擴(kuò)散控制型、界面控制型和兩種混合控制型。由于固態(tài)相界的移動(dòng)性很難僅僅通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得，作者將采用實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方法：首先原子探針測(cè)量沿非平衡界面的成分梯度，然后與不同界面移動(dòng)性參數(shù)下微觀相場(chǎng)模擬結(jié)果相比對(duì)，最后選取模擬所得界面濃度梯度與試驗(yàn)測(cè)量符合得最好的那一個(gè)來(lái)確定界面移動(dòng)性參數(shù)。

模擬尺度增加所導(dǎo)致的另一個(gè)復(fù)雜性是粗晶相場(chǎng)模擬中界面寬度。為避免界面能和模擬系統(tǒng)尺寸的限制，可采用KKS模型[19](這個(gè)模型是Steinbach 等提出的模型的進(jìn)一步延伸[20-21])。這個(gè)模型使我們能在保留傳統(tǒng)的CALPHAD自由能表達(dá)式的同時(shí)，通過(guò)將界面處理成沿共軛線的具有相同擴(kuò)散勢(shì)壘的兩相混合物從而可以獨(dú)立調(diào)節(jié)界面能與梯度能量系數(shù)。

利用上面所描述的最基本的方法所獲得的相場(chǎng)模型輸入?yún)?shù)以及上述大尺度模擬的多相界的KKS處理方法，作者確信能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬獲得定量結(jié)果并預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)。但是，在集成不同的模擬技術(shù)與實(shí)驗(yàn)表征手段時(shí)，一個(gè)非常重要的限制因素是缺乏定量比較模擬組織和實(shí)驗(yàn)觀察的微觀組織的客觀方法。但是，即使采用精確的、定量的輸入?yún)?shù)，通常仍然很難確定相場(chǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，這主要是因?yàn)橐酝容^模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)微觀組織結(jié)構(gòu)主要是為了被動(dòng)地解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。然而，最近一系列主動(dòng)地、定量地比較模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方法出現(xiàn)了。這些方法是通過(guò)利用n-點(diǎn)的相關(guān)函數(shù)和隨機(jī)過(guò)程, 對(duì)數(shù)字化圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。這一類似的統(tǒng)計(jì)方法已經(jīng)被用來(lái)評(píng)估天體物理中的理論模型預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，而現(xiàn)在被廣泛地引入材料研究領(lǐng)域。這種方法將架起微觀組織相場(chǎng)模型預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)觀察之間的橋梁。這種相場(chǎng)模擬預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)觀察的精確的定量比較將對(duì)進(jìn)一步區(qū)分不同合金在不同熱處理制度下不同相變機(jī)理起到重要作用。

為了指導(dǎo)前面所提到的幾種非常規(guī)的相變路徑，定量的計(jì)算模擬是不可或缺的。這一方法在作者用三元模型體系來(lái)模擬預(yù)測(cè)更復(fù)雜的多組元商用合金時(shí)更是如此。對(duì)于開發(fā)的定量模擬工具，其中一些基礎(chǔ)知識(shí)是至關(guān)重要的，如：c0和T0對(duì)合金成分的敏感程度；當(dāng)合金成分或時(shí)效溫度接近c(diǎn)0或T0到什么程度時(shí)，傳統(tǒng)的形核與長(zhǎng)大過(guò)程被抑制而出現(xiàn)偽調(diào)幅分解的現(xiàn)象。這些理論知識(shí)將為開發(fā)和設(shè)計(jì)先進(jìn)的商用合金提供有益的指導(dǎo)。

3鈦合金超細(xì)微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)舉例

3.1偽調(diào)幅分解機(jī)理

為了研究偽調(diào)幅分解機(jī)理在鈦合金超細(xì)超均勻α+β微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的作用，首先需要確定偽調(diào)幅分解存在的溫度或者成分范圍?；诖嬖诘臒崃W(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，作者選擇一個(gè)簡(jiǎn)單的二元合金系統(tǒng)，Ti-Mo合金作為研究的模型材料。相比于商業(yè)鈦合金，如Ti-5553 (Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-0.5Fe,質(zhì)量分?jǐn)?shù))和β-21s (Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.3Si,質(zhì)量分?jǐn)?shù))，Ti-Mo合金是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的體系，但是這個(gè)體系包含了研究偽調(diào)幅分解所需要的所有關(guān)鍵基礎(chǔ)知識(shí)，例如：如何通過(guò)成分和溫度調(diào)節(jié)來(lái)控制偽調(diào)幅分解機(jī)理的發(fā)生，具體包括臨界成分c0的敏感度以及初始成分和溫度如何影響鈦合金的相變路徑(如何誘發(fā)偽調(diào)幅分解這一非經(jīng)典形核機(jī)理)，對(duì)于簡(jiǎn)單模型合金的研究，將為我們找到影響鈦合金形核機(jī)制的關(guān)鍵因素，進(jìn)而引導(dǎo)我們對(duì)商業(yè)合金的開發(fā)設(shè)計(jì)。

基于最新的PANDAT自由能模型及熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)[22-24]，作者得到了Ti-Mo合金不同溫度的臨界成分c0(T)，在700 ℃和600 ℃時(shí)期臨界成分分別是3.0和4.35%Mo(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)。在600 ℃的原子遷移率或Ti-Mo系統(tǒng)互擴(kuò)散系數(shù)，例如D=10-18m2/ s時(shí)，也可以從相圖計(jì)算方法CALPHAD[25]獲得。對(duì)于相場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)系數(shù)(與時(shí)間相關(guān)的金斯伯格-朗道方程的動(dòng)力學(xué)系數(shù))，使用M=6.0 ×10-8J/m3·s ，以保證其是擴(kuò)散控制的動(dòng)力學(xué)過(guò)程[26]。在相場(chǎng)模擬中，計(jì)算的尺度由界面能的大小決定，在模擬中，我們假設(shè)α和β相在時(shí)效溫度時(shí)的界面能是100 mJ/m2，從而產(chǎn)生一個(gè)亞微米尺度。

使用PANDAT熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)以及上述的動(dòng)力學(xué)參數(shù)等，作者模擬了Ti-Mo合金在靠近臨界成分時(shí)α沉淀相的微觀結(jié)構(gòu)演化過(guò)程(圖4所示)[27]，模擬表明微觀結(jié)構(gòu)演化遵從非經(jīng)典的偽調(diào)幅分解機(jī)理。Ti-Mo合金初始成分含有5% Mo，大于體系700 ℃時(shí)的臨界成分c0(3.0%Mo)。圖4a和a′描述了體系由于熱振動(dòng)造成成分及結(jié)構(gòu)不均勻(模擬中由朗之萬(wàn)噪聲實(shí)現(xiàn)[28])，成分不均勻?qū)?huì)導(dǎo)致一定量的Mo元素貧化區(qū)，這些貧化區(qū)的Mo含量低于體系的臨界成分c0(T)，將有利于析出相的形核。因此這些貧化區(qū)將首先發(fā)生成分不變的結(jié)構(gòu)相變，轉(zhuǎn)變成α析出相(如圖4b和b′所示)，但其Mo成分仍遠(yuǎn)離α平衡濃度(如圖4e中的濃度曲線所示)。隨后，β和α相之間將不斷擴(kuò)散并以調(diào)幅分解的方式驅(qū)動(dòng)體系成分不斷趨于平衡。圖4所示的濃度變化與實(shí)驗(yàn)測(cè)量(利用原子探針斷層掃描Ti- 5553[15])一致。

圖4　Ti-5Mo(wt%)合金700 ℃時(shí)微觀結(jié)構(gòu)演化的相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模擬：(a~d)濃度場(chǎng)隨時(shí)間的演化的灰度圖，白色描述Mo高濃度，黑色描述Mo低濃度；(a′~d′)結(jié)構(gòu)場(chǎng)隨時(shí)間的演化,α1、α2和α3描述α相3種變體；(e)濃度曲線Fig.4　Phase field simulations (in 2D) of microstructural evolution during α precipitation via the pseudo-spinodal mechanism in Ti-5Mo (in wt %) at 700 ℃: (a~d) concentration field, (a′~d′) structural fields，and (e) concentration curves

另外，作者研究團(tuán)隊(duì)前期的模擬結(jié)果表明[13]，偽調(diào)幅分解機(jī)理這一非經(jīng)典形核機(jī)理產(chǎn)生的形核率是傳統(tǒng)經(jīng)典形核理論[13, 29]所預(yù)測(cè)的形核率的100倍，這一機(jī)理為設(shè)計(jì)高形核率、超細(xì)α析出相先進(jìn)鈦合金提出了新的可能。但是偽調(diào)幅分解機(jī)理要求初始成分必須非常接近體系的臨界成分c0(T)，當(dāng)合金成分遠(yuǎn)離c0(T)約2%時(shí)，相場(chǎng)模擬得到的形核率與經(jīng)典形核理論所預(yù)測(cè)的相當(dāng)，暗示了偽調(diào)幅分解機(jī)理的消失。因此通過(guò)控制臨界成分和初始成分，使得兩者差值小于2%將有利于超細(xì)超均勻鈦合金的設(shè)計(jì)。

3.2預(yù)相分離機(jī)理

上節(jié)模擬預(yù)測(cè)表明偽調(diào)幅分解機(jī)理提供了一種開發(fā)設(shè)計(jì)具有超細(xì)、超均勻α+β微觀結(jié)構(gòu)的鈦合金的有效方法，但是其非常窄的操作范圍(成分與臨界成分之差小于2%)限制了其使用。但是其通過(guò)成分不均勻性影響形核的本質(zhì)為我們提供了新的思路，是否可以利用Ti-Mo合金中存在的真正的調(diào)幅分解區(qū)來(lái)設(shè)計(jì)成分不均勻區(qū)并進(jìn)一步影響鈦合金形核?；讦骡伜辖鹬写嬖诘恼{(diào)幅分解區(qū)[30]，作者提出了預(yù)相分離機(jī)理，其將指導(dǎo)在更寬成分范圍內(nèi)開發(fā)設(shè)計(jì)新的超細(xì)、超均勻鈦合金。

Ti-Mo合金在600 ℃時(shí)的臨界成分為4.35% Mo，作者選擇Ti-10% Mo，由于其Mo含量遠(yuǎn)離臨界成分大于2% (c-c0= 5.65%)，其不符合偽調(diào)幅分解發(fā)生的成分范圍，而其處于調(diào)幅分解區(qū)，也不符合經(jīng)典形核理論。圖5描述了其相對(duì)應(yīng)的濃度及結(jié)構(gòu)參量隨時(shí)間演化，圖5a-b和5a′-b′描述了體系前期調(diào)幅分解過(guò)程，β相濃度發(fā)生變化并產(chǎn)生Mo貧化區(qū)和富集區(qū)，由于體系成分仍遠(yuǎn)離臨界成分c0，因此未能發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。隨著調(diào)幅分解的進(jìn)行，體系Mo貧化區(qū)接近臨界成分c0，體系α相形核開始(如圖5d和d′所示)。由于Mo貧化區(qū)周圍Mo富集區(qū)的限制，形成的α相將難以長(zhǎng)大，并產(chǎn)生超細(xì)的α+β微觀結(jié)構(gòu)。

圖5　Ti-10Mo(wt%)合金微觀結(jié)構(gòu)演化的相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模擬：(a~d)濃度場(chǎng)隨時(shí)間的演化，(a′~d′)結(jié)構(gòu)場(chǎng)隨時(shí)間的演化Fig.5　Phase field simulations (in 2D) of microstructural evolution during α precipitation via the precursory spinodal mechanism in Ti-10Mo (in wt %): (a~d) concentration field and (a′~d′) structural fields

4結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)近期基于兩種非傳統(tǒng)相變路徑通過(guò)集成計(jì)算工程來(lái)設(shè)計(jì)超細(xì)、超均勻鈦合金微觀組織的研究工作進(jìn)行了評(píng)論總結(jié)，揭示了熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)與相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模擬相結(jié)合的重要性以及其對(duì)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的作用，確認(rèn)了集成CAPHAD相圖計(jì)算和相場(chǎng)模擬以及實(shí)驗(yàn)測(cè)量的集成計(jì)算材料工程方法是先進(jìn)鈦合金設(shè)計(jì)與開發(fā)的有效途徑和思路。集成計(jì)算材料工程在先進(jìn)鈦合金開發(fā)中的應(yīng)用將為功能材料、生物材料等其它材料開發(fā)設(shè)計(jì)提供新的可能。

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(編輯惠瓊)

特約撰稿人林哲帥

林哲帥：男，1974年生，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員，博士生導(dǎo)師。2002年于中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所博士畢業(yè)，2004~2008年在英國(guó)劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室和材料系從事博士后研究。主要從事非線性光電功能材料構(gòu)效關(guān)系及新型功能材料探索研究，取得多項(xiàng)創(chuàng)新性成果。迄今在JAmChemSoc，AngewChem，NatComm，ChemMater，ChemComm等材料、物理、化學(xué)重要期刊發(fā)表SCI論文100余篇，參與撰寫學(xué)術(shù)專著1部(章)，獲授權(quán)專利3項(xiàng)。主持和參加了多項(xiàng)國(guó)家

特約撰稿人陳　亮

自然科學(xué)基金重點(diǎn)和面上項(xiàng)目、973課題等，培養(yǎng)的多名研究生獲得優(yōu)秀研究生稱號(hào)，其中包括獲得國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金。獲得北京市青年科技論文一等獎(jiǎng)、中國(guó)科學(xué)院盧嘉錫青年科學(xué)獎(jiǎng)，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員。

陳亮:男，1979年生，中科院寧波材料所研究員。2001年于南京大學(xué)獲得應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)士學(xué)位，2006年在美國(guó)匹茲堡大學(xué)化學(xué)工程系獲得博士學(xué)位，隨后進(jìn)入Air Products & Chemical Inc.從事儲(chǔ)氫材料的開發(fā)研究。2007年加入中科院寧波材料所

特約撰稿人肖睿娟

任副研究員，后晉升為研究員。主要研究方向?yàn)槔枚喑叨扔?jì)算模擬方法與實(shí)驗(yàn)結(jié)合進(jìn)行新型吸附、分離及催化材料的設(shè)計(jì)與開發(fā),用于環(huán)境污染治理、能源氣體凈化和存儲(chǔ)等領(lǐng)域，已在PhysRevLett，ChemSci，JAmChemSoc，ChemComm，SciRep，JPhysChem等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表60余篇論文, 被引用1 000余次，獲授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利5項(xiàng)；先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、浙江省自然科學(xué)基金杰出青年以及錢江人才等項(xiàng)目，2009年獲得中科院盧嘉錫青年人才獎(jiǎng)。

特約撰稿人王　棟

肖睿娟:女，1980年生，理學(xué)博士，中國(guó)科學(xué)院物理研究所副研究員。2007年在中國(guó)科學(xué)院物理研究所獲得博士學(xué)位，之后在德國(guó)萊布尼茲固體與材料研究所從事博士后研究，2010年作為“所級(jí)百人”進(jìn)入到中國(guó)科學(xué)院物理研究所清潔能源實(shí)驗(yàn)室。2006年憑借在Na0.3CoO2·yH2O超導(dǎo)體系中的電子能量損失譜模擬的杰出工作獲得了第16屆國(guó)際電子顯微學(xué)大會(huì)“青年科學(xué)家獎(jiǎng)學(xué)金”。2009年通過(guò)第一性原理計(jì)算設(shè)計(jì)的高密度磁性存儲(chǔ)材料被德國(guó)工業(yè)界雜志和新聞界媒

體所報(bào)道。2010年后主要開展鋰離子電池材料的計(jì)算模擬研究，主要通過(guò)理論計(jì)算方法來(lái)研究鋰離子電池材料中脫嵌鋰機(jī)制、鋰離子擴(kuò)散、電子電導(dǎo)以及各物理化學(xué)性質(zhì)與材料性能的關(guān)系等基礎(chǔ)問(wèn)題。近年來(lái)在NatureCommun，ChemMater，PhysRevLett，PhysRevB，ApplPhysLett等國(guó)際SCI學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文30余篇。

王棟:男，1983 年生，副教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)為西安交通大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)研究院微觀組織設(shè)計(jì)研究小組主任。主要從事鐵性功能材料和鈦合金中的相變及相關(guān)性能的實(shí)驗(yàn)研究和模擬研究。在鐵性玻璃轉(zhuǎn)變、鈦合金微觀組織設(shè)計(jì)相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模擬方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)已發(fā)表SCI 論文20余篇，其中10余篇發(fā)表在PhysicalReviewLetters，ActaMaterialia等國(guó)際知名刊物。

Progress in ICME Approach to Design of NovelMicrostructures for Ti-Alloys

WANG Dong1, WANG Yunzhi1,2

(1.Frontier Institute of Science and Technology, State Key Laboratory for

Mechanical Behavior of Materials, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

(2.Department of Materials Science and Engineering,The Ohio University at Columbus, Ohio 43210)

Abstract：In this paper we review ICME approach integrated CALPHAD and phase field modeling with critical experiments exploring a newly discovered, non-conventional, solid-solid phase transformation pathway based on the so-called pseudo-spinodal mechanism. This mechanism was first proposed by Ni and Khachaturyan to explain the chessboard structure and then was used by Fraser et al. to explain the formation of refined alpha microstructure in Ti-alloys. We show that this new transformation pathway offers a new design strategy for Ti alloys to obtain extremely fine and uniform α+β microstructures that could potentially have highly attractive balances of mechanical properties. To broaden the processing window for such a mechanism to operate, a different non-conventional transformation pathway that involves precursory phase separation is reviewed as well.

Key words：Ti-alloys;phase transformation;pseudo-spinidal decomposition;computer simulation;phase field

中圖分類號(hào)：TG111

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：

文章編號(hào)：1674-3962(2015)04-0282-07

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2015.04.04

通訊作者：第一作者及王棟，男，1983年生，副教授，博士生導(dǎo)師，Email:wangdong 1223@mail.xjtu.edu.cn

基金項(xiàng)目：科技部973計(jì)劃項(xiàng)目(2014CB644003)

收稿日期：2014-05-22