Ti2AlN/TiAl复合材料界面优化设计

TiAl合金是使用温度600℃以上较理想的高温轻质结构材料，但低的室温塑性限制了TiAl合金的广泛应用。为了改善TiAl合金的上述缺点，研究人员尝试在TiAl合金中引入兼具金属和陶瓷特性的三元层状MAX相——Ti2AlN，力求在保证TiAl合金强度的前提下提高其塑韧性。尽管Ti2AlN/TiAl复合材料具有重要的应用前景，但其综合力学性能与人们的预期还有一定距离，这主要是因为目前对该复合材料的微观变形行为本质尚缺乏认识，导致无法建立有效的复合材料微观结构设计准则，使得Ti2AlN增强增塑的潜力未得到充分挖掘。

近日，哈尔滨工业大学孙东立教授和韩秀丽老师及共同指导的柳培博士（通讯作者）等人在Composites Part B上发表题为“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。本文报道了一种具有适度结合强度和独特原子结构的Ti2AlN（103）/TiAl（111）非共格界面在压缩变形过程中能够同时扮演“界面软化”和“界面强化”的双重角色，有助于同时提高Ti2AlN/TiAl复合材料的压缩强度和塑性变形能力。

研究团队首先利用原位透射电镜发现Ti2AlN（103）/TiAl（111）非共格界面在压缩变形过程中能够同时形核和湮灭位错的独特现象，随后利用第一性原理和分子动力学模拟阐明了非共格界面主导的位错形核/湮灭主要来源于其界面键合的多重性和非均匀性。基于这种独特的界面-位错作用机制，Ti2AlN（103）/TiAl（111）非共格界面构型的压缩失效应变和抗压强度较Ti2AlN（0001）/TiAl（111）共格界面构型分别提高90.48%和13.01%，因此该非共格界面有助于同时提高复合材料的压缩强度和塑性变形能力。本研究不仅为Ti2AlN/TiAl复合材料界面优化设计提供了理论指导，也可对推动高性能金属基复合材料的基础研究与工程应用具有重要的现实意义。

原位TEM表明非共格界面能够同时形核初始位错和阻碍二次位错：

图1 Ti2AlN（103）/TiAl（111）非共格界面区域原位TEM压缩过程的轴向载荷-时间曲线（a）及微观结构演变（b~f）

原子结构分析结果表明Ti2AlN（103）是褶皱表面，包含四个原子层；界面作用集中在前三个原子层与TiAl之间；不同局部结构的驰豫方式不同。

图2 Ti2AlN（103）/TiAl（111）非共格界面模型驰豫前后侧视图（a~b）和俯视图（c~d）

差分电荷密度图表明Ti2AlN（103）/TiAl（111）非共格界面的电子结构具有多重性和非均匀性。

图3 Ti2AlN（103）/TiAl（111）非共格界面沿着（100）平面的价电荷密度差分图（a） N原子列终端; （b） Ti原子列终端;（c） Al原子列终端。

分子动力学模拟结果表明，Ti2AlN（103）/TiAl（111）非共格界面构型的压缩失效应变和抗压强度较Ti2AlN（0001）/TiAl（111）共格界面构型分别提高90.48%和13.01%。

图4 Ti2AlN（103）/TiAl（111）非共格界面构型及Ti2AlN（0001）/TiAl（111）共格界面构型垂直于界面方向压缩的应力-应变曲线（分子动力学模拟）

Ti2AlN（103）/TiAl（111）非共格界面能够首先形核初始位错然后阻碍二次位错。

图5 压缩应力-应变曲线（图7）中标记点对应的Ti2AlN（103）/TiAl（111）界面构型

Ti2AlN（0001）/TiAl（111）共格界面处在压缩过程中会产生应力集中，从而在靠近共格界面处的Ti2AlN（0001）晶面出现了“原子尺度涟漪”并形成扭折带，导致共格界面构型的准脆性断裂。

图6 压缩应力-应变曲线（图7）中标记点对应的Ti2AlN（0001）/TiAl（111）界面构型

初始位错在Ti2AlN（103）表面Al2原子列的非共格区域（界面结合最弱区域）处形核。

图7 压缩过程中初始位错在Ti2AlN（103）/TiAl（111）非共格界面处的形核特征

界面局部无序区域为二次位错提供湮灭场所，阻碍了二次位错向TiAl侧扩展，形成了强化。

图8压缩变形过程中单个二次位错线在非共格界面中的湮灭特征

基于Ti2AlN（103）/TiAl（111）非共格界面键合的非均匀性和多重性特征，该非共格界面构型在受到压缩载荷作用时，界面结合最弱区域，也就是Ti2AlN（103）表面Al2原子列的非共格区域，能够形核初始位错开启塑性变形，随后界面结合较弱区域能够演变成局部无序区域从而湮灭二次位错形成强化，而界面结合较强区域则保持了界面整体稳定性。因此，Ti2AlN（103）/TiAl（111）有助于同时提高Ti2AlN/TiAl复合材料的压缩强度和塑性变形能力。

审核编辑：彭静