東北大學秦高梧教授團隊在密排六方合金固態擴散相變取得重要進展

近日，東北大學材料學院秦高梧教授團隊在擴散型固態相變領域取得重要進展，發現了非界面位錯誘導的拓撲密堆（TCP）析出相形核與長大臺階生長新機制，完全不同于傳統認知。相關成果以“Structural pathway for nucleation and growth of topologically close-packed phase from parent hexagonal crystal”為題發表于金屬領域期刊Acta Materialia。東北大學為唯一完成單位，材料學院博士研究生白俊源為第一作者，龐學永副教授、秦高梧教授為通訊作者。

固態相變歷來是調控結構材料和功能材料的有效手段。對于給定相變，明晰母相轉變為產物相的形成路徑對于理解并控制相變是至關重要的。然而，由于相變的瞬態特性，目前僅有少數簡單晶體結構之間的非擴散（位移）型相變路徑得到了深入研究，如著名的Bain路徑(bcc?fcc)及Burgers路徑（bcc?fcc）。固體擴散型形核-長大相變，包括簡單到簡單（simple→simple）結構轉變（如fcc→L1₂, hcp→D0₁₉, fcc→hcp等）和簡單到復雜結構(simple→complex)結構轉變，前者一般是通過原子有序化或者不全位錯的滑移機制完成結構轉變，并形成廣泛共識。然而，合金中的simple→complex相變一直缺乏深刻認知。這是因為實驗技術通常無法提供足夠的時空分辨率以捕捉原子行蹤，而理論模擬則常常受到原子間勢函數精度不足或無法在傳統的納秒時間尺度內捕捉固體成核等小概率事件的限制。因此，理解固體擴散型相變中的形核和生長機制始終是固態相變領域內的研究熱點及難點。

為闡明simple→complex擴散型轉變涉及的形核-長大路徑，該工作以鎂合金為模型材料，使用第一性原理計算系統地研究了hcp結構Mg基體內一系列TCP相（包括Laves及Laves-like相）原位形核與長大的結構路徑。通過引入TCP結構的晶體學新定義，我們的計算確定了hcp→TCP析出轉變中的基本結構轉變單元（BSTU）為一種3層不穩定的hcp有序結構。通過第一性原理中的結構優化，這些BSTU有序原子團簇并不穩定，一旦它們在基體中生成便會自發坍塌形成TCP結構（圖1所示）。并且整個結構演變過程均由此BSTU引導完成，致使hcp基體內TCP盤狀沉淀的生成始于3層有序結構，并以2層原子為厚度單位增厚，其層數/厚度演變規律總結為：N=3+2n （其中N為TCP沉淀的總層數，n為增厚的次數），如圖2所示。該結構演變路徑得到了多項實驗的證實，并且利用該路徑該工作進一步評估了Mg₂Ca及MgZn₂?兩種Laves相析出過程中臨界形成核的原子結構及尺寸。

圖1 不穩定的3層hcp有序結構單元形核示意圖

該研究工作發現hcp→TCP轉變表現出明顯的非經典形核行為，即結構轉變的發生僅取決于大尺寸原子的分布，這導致實際TCP沉淀易于出現多型性及偏離化學計量比的現象，據此統一了國內外不同研究組實驗結果差異性的本源。Hcp→TCP轉變屬于不需要額外原子參與的保守型轉變，整個轉變過程中除原子擴散外，僅涉及shuffle-based的位移。特別地，我們強調TCP盤狀增厚過程中臺階的形核主要取決于在TCP盤共格表面上形成新的BSTU，并且這里的臺階并不具備傳統固態相變理論所考慮的界面位錯屬性。該研究工作不僅完善了納米析出相臺階生長機制的材料科學理論（即傳統的界面位錯驅動的layer-by-layer臺階生長機制和新發現的非界面位錯tri-layer臺階生成機制），而且為未來TCP相強化金屬材料的耐熱性與抗蠕變性能提出新的設計策略。

圖2. Hcp基體內TCP盤狀析出相的結構演變路徑示意圖

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645424003513