氧诱导钛合金α/β界面结构选择、掺杂偏析及粘附强度的机理研究

针对钛合金α/β界面动态/力学不稳定结构（如低温β-Ti）性能不明确的难题，研究人员采用密度泛函理论（DFT）结合限制性弛豫方法，系统探究了氧杂质对界面结构选择、掺杂偏析及粘附强度的影响。研究发现氧会破坏理论预测的空心型界面，解释了理论与实验的差异；筛选出硼为最优强化元素，并揭示了X-O共强化策略的潜力，为环境友好型钛合金设计提供了新思路。

　　

钛合金因其优异的比强度和耐腐蚀性，广泛应用于航空航天和生物医学领域。其中，α相（密排六方结构）与β相（体心立方结构）的界面行为直接影响材料性能。然而，低温下β-Ti的动力学不稳定性导致界面特性难以预测，且实验观测与理论计算的界面类型存在矛盾。此外，氧杂质在界面处的自发偏析及其对力学性能的影响机制尚不明确。这些问题严重制约了高性能钛合金的设计开发。

为破解上述难题，中国的研究团队通过密度泛函理论（DFT）结合限制性弛豫方法，系统研究了钛合金α/β界面的原子结构选择、掺杂元素偏析行为及界面强化机制。研究发现，理论预测的空心型（hollow-type）界面会被氧杂质破坏，这解释了为何实验中更易观察到非对称界面结构。通过电子结构分析，团队揭示硼（B）能显著提升界面粘附功（达8.23 J/m²），是最有效的单一强化元素。研究还提出X-O（如B-O）协同掺杂策略，为开发低氧敏感性的环保钛合金提供了理论依据。该成果发表于《Scripta Materialia》。

关键技术包括：1）基于DFT的第一性原理计算；2）限制性原子弛豫方法模拟界面动力学不稳定性；3）粘附功计算评估界面强度；4）电荷密度差和态密度分析电子结构。

【研究结果】

1. 界面结构选择：氧杂质会破坏理论预测的空心型界面稳定性，导致实验更易观测到非对称界面，解决了理论与实验的长期矛盾。
2. 掺杂偏析行为：单掺杂体系中，氧在界面偏析能低至-2.18 eV，而硼表现出最强的界面结合能（-0.73 eV）。
3. 界面强化机制：硼掺杂使界面粘附功提升35%，电子重分布分析显示其通过增强Ti-d和B-p轨道杂化实现强化。
4. X-O共强化策略：B-O协同作用可同时抑制氧的有害偏析并提升强度，粘附功较纯界面提高50%。

【结论与意义】
该研究首次阐明氧杂质对钛合金α/β界面结构的决定性影响，为界面类型争议提供了合理解释。通过高通量筛选发现硼的独特强化作用，并创新性提出X-O协同掺杂设计思路，突破了传统钛合金对氧敏感的限制。研究成果不仅深化了对多相合金界面行为的理解，更为开发高强度、低环境负荷的新型钛合金指明了方向，具有重要的工程应用价值。