对称倾斜0ˉ11 Σ27晶界在聚合成孪晶TiAl中的原子结构与分子动力学模拟研究

本研究通过像差校正透射电镜和分子动力学模拟，揭示了γ-TiAl中对称倾斜0ˉ11 Σ27晶界的形成机制与变形行为，发现堆垛层错是其主导变形机制，温度与加载方向显著影响层错密度，为理解TiAl合金力学性能各向异性提供了原子尺度见解。

　　

金属间化合物TiAl合金因其优异的高温力学性能，在航空航天领域具有重要应用潜力。然而，其力学性能的显著各向异性与晶界(GB)在变形过程中的演化机制尚未完全阐明，特别是非Σ3型晶界（如Σ27）的行为长期被忽视。中国科学院金属研究所团队在《Materials Characterization》发表的研究，首次系统揭示了聚合成孪晶(PST) TiAl中对称倾斜0ˉ11 Σ27晶界的原子结构特征与温度依赖性变形机制。

研究采用像差校正高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)解析原子结构，结合分子动力学(MD)模拟300K和1000K下的平行/垂直加载变形。样本为定向凝固制备的Ti-45Al-8Nb (at.%) PST晶体，经室温拉伸至6.9%应变后提取切片分析。

原子结构特征
通过[0ˉ11]γ带轴观测发现，Σ27晶界由周期性排列的结构单元构成，相邻单元存在(1/4)[0ˉ11]晶体位移。这种特殊构型源于γ-TiAl的L1₀
有序结构，且晶界形成与三个〈011〉{111} Σ3孪晶界的相互作用直接相关。

变形机制差异
MD模拟显示：平行加载时堆垛层错易滑移，而垂直加载形成稳定的层错网络。高温(1000K)显著增加层错密度，但温度效应受加载方向调制——平行加载时温度敏感性更高。

力学响应特性
应力-应变曲线揭示各向异性：垂直加载的屈服强度高于平行加载，这与层错网络的钉扎效应有关。低温(300K)下位错形核受限，导致变形更集中于晶界区域。

该研究首次建立了Σ27晶界原子构型-变形机制-温度响应的关联模型，为理解TiAl合金的力学各向异性提供了新视角。发现晶界结构单元的有序排列可调控层错演化路径，这为设计高性能定向凝固TiAl部件提供了理论依据。研究还证实，多孪晶交互作用会自发形成复杂Σ晶界，这类次级晶界可能成为材料强韧化的潜在调控靶点。