Ti2AlN/TiAl復(fù)合材料界面優(yōu)化設(shè)計(jì)

TiAl合金是使用溫度600℃以上較理想的高溫輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，但低的室溫塑性限制了TiAl合金的廣泛應(yīng)用。為了改善TiAl合金的上述缺點(diǎn)，研究人員嘗試在TiAl合金中引入兼具金屬和陶瓷特性的三元層狀MAX相——Ti2AlN，力求在保證TiAl合金強(qiáng)度的前提下提高其塑韌性。盡管Ti2AlN/TiAl復(fù)合材料具有重要的應(yīng)用前景，但其綜合力學(xué)性能與人們的預(yù)期還有一定距離，這主要是因?yàn)槟壳皩υ搹?fù)合材料的微觀變形行為本質(zhì)尚缺乏認(rèn)識，導(dǎo)致無法建立有效的復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，使得Ti2AlN增強(qiáng)增塑的潛力未得到充分挖掘。

近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)孫東立教授和韓秀麗老師及共同指導(dǎo)的柳培博士（通訊作者）等人在Composites Part B上發(fā)表題為“The role of incoherent interface in evadingstrength-ductility trade-off dilemma of Ti2AlN/TiAl composite： Acombined in-situ TEM and atomistic simulations”的文章。本文報(bào)道了一種具有適度結(jié)合強(qiáng)度和獨(dú)特原子結(jié)構(gòu)的Ti2AlN（103）/TiAl（111）非共格界面在壓縮變形過程中能夠同時(shí)扮演“界面軟化”和“界面強(qiáng)化”的雙重角色，有助于同時(shí)提高Ti2AlN/TiAl復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和塑性變形能力。

研究團(tuán)隊(duì)首先利用原位透射電鏡發(fā)現(xiàn)Ti2AlN（103）/TiAl（111）非共格界面在壓縮變形過程中能夠同時(shí)形核和湮滅位錯(cuò)的獨(dú)特現(xiàn)象，隨后利用第一性原理和分子動(dòng)力學(xué)模擬闡明了非共格界面主導(dǎo)的位錯(cuò)形核/湮滅主要來源于其界面鍵合的多重性和非均勻性?；谶@種獨(dú)特的界面-位錯(cuò)作用機(jī)制，Ti2AlN（103）/TiAl（111）非共格界面構(gòu)型的壓縮失效應(yīng)變和抗壓強(qiáng)度較Ti2AlN（0001）/TiAl（111）共格界面構(gòu)型分別提高90.48%和13.01%，因此該非共格界面有助于同時(shí)提高復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和塑性變形能力。本研究不僅為Ti2AlN/TiAl復(fù)合材料界面優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)，也可對推動(dòng)高性能金屬基復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

原位TEM表明非共格界面能夠同時(shí)形核初始位錯(cuò)和阻礙二次位錯(cuò)：

圖1 Ti2AlN（103）/TiAl（111）非共格界面區(qū)域原位TEM壓縮過程的軸向載荷-時(shí)間曲線（a）及微觀結(jié)構(gòu)演變（b~f）

原子結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明Ti2AlN（103）是褶皺表面，包含四個(gè)原子層；界面作用集中在前三個(gè)原子層與TiAl之間；不同局部結(jié)構(gòu)的馳豫方式不同。

圖2 Ti2AlN（103）/TiAl（111）非共格界面模型馳豫前后側(cè)視圖（a~b）和俯視圖（c~d）

差分電荷密度圖表明Ti2AlN（103）/TiAl（111）非共格界面的電子結(jié)構(gòu)具有多重性和非均勻性。

圖3 Ti2AlN（103）/TiAl（111）非共格界面沿著（100）平面的價(jià)電荷密度差分圖（a） N原子列終端; （b） Ti原子列終端;（c） Al原子列終端。

分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果表明，Ti2AlN（103）/TiAl（111）非共格界面構(gòu)型的壓縮失效應(yīng)變和抗壓強(qiáng)度較Ti2AlN（0001）/TiAl（111）共格界面構(gòu)型分別提高90.48%和13.01%。

圖4 Ti2AlN（103）/TiAl（111）非共格界面構(gòu)型及Ti2AlN（0001）/TiAl（111）共格界面構(gòu)型垂直于界面方向壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（分子動(dòng)力學(xué)模擬）

Ti2AlN（103）/TiAl（111）非共格界面能夠首先形核初始位錯(cuò)然后阻礙二次位錯(cuò)。

圖5 壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖7）中標(biāo)記點(diǎn)對應(yīng)的Ti2AlN（103）/TiAl（111）界面構(gòu)型

Ti2AlN（0001）/TiAl（111）共格界面處在壓縮過程中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而在靠近共格界面處的Ti2AlN（0001）晶面出現(xiàn)了“原子尺度漣漪”并形成扭折帶，導(dǎo)致共格界面構(gòu)型的準(zhǔn)脆性斷裂。

圖6 壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖7）中標(biāo)記點(diǎn)對應(yīng)的Ti2AlN（0001）/TiAl（111）界面構(gòu)型

初始位錯(cuò)在Ti2AlN（103）表面Al2原子列的非共格區(qū)域（界面結(jié)合最弱區(qū)域）處形核。

圖7 壓縮過程中初始位錯(cuò)在Ti2AlN（103）/TiAl（111）非共格界面處的形核特征

界面局部無序區(qū)域?yàn)槎挝诲e(cuò)提供湮滅場所，阻礙了二次位錯(cuò)向TiAl側(cè)擴(kuò)展，形成了強(qiáng)化。

圖8壓縮變形過程中單個(gè)二次位錯(cuò)線在非共格界面中的湮滅特征

基于Ti2AlN（103）/TiAl（111）非共格界面鍵合的非均勻性和多重性特征，該非共格界面構(gòu)型在受到壓縮載荷作用時(shí)，界面結(jié)合最弱區(qū)域，也就是Ti2AlN（103）表面Al2原子列的非共格區(qū)域，能夠形核初始位錯(cuò)開啟塑性變形，隨后界面結(jié)合較弱區(qū)域能夠演變成局部無序區(qū)域從而湮滅二次位錯(cuò)形成強(qiáng)化，而界面結(jié)合較強(qiáng)區(qū)域則保持了界面整體穩(wěn)定性。因此，Ti2AlN（103）/TiAl（111）有助于同時(shí)提高Ti2AlN/TiAl復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和塑性變形能力。