β型钛合金中非热ω相(ωath)坍塌机制的原子尺度解析及其对合金性能的调控意义

为解决β型钛合金淬火过程中非热ω相(ωath)结构演变机制不明的难题，研究人员通过第一性原理分子动力学(AIMD)模拟与高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)技术，揭示了Mo贫化区ωath在700-500K温度区间的优先坍塌规律，发现强Mo-Ti键抑制而弱Ti-Ti键促进坍塌的电子机制，为调控钛合金力学性能提供了原子尺度设计依据。

　　

钛合金作为航空航天和生物医学领域的明星材料，其性能调控始终是研究热点。β型钛合金通过添加钼(Mo)、钒(V)等β相稳定元素，可在淬火后保留体心立方(bcc)结构，但过程中伴随产生的非热ω相(ω_ath)却像一把双刃剑——既能提高硬度又可能导致脆性。更棘手的是，ω_ath的形成犹如一场原子尺度的"多米诺骨牌"效应：相邻{111}晶面沿<111>方向交替坍塌，但具体哪些区域会坍塌、何时坍塌、受何种因素控制，这些关键问题长期困扰着研究者。传统实验方法受限于淬火过程的瞬时性，而理论计算又难以动态捕捉温度变化的影响，使得ω_ath的坍塌机制始终蒙着神秘面纱。

针对这一挑战，中国的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表突破性成果。他们巧妙结合第一性原理分子动力学(ab initio molecular dynamics, AIMD)模拟与高角环形暗场扫描透射电镜(high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy, HAADF-STEM)技术，首次在原子尺度揭示了ω_ath的动态坍塌过程。研究采用含176个Ti原子和16个Mo原子的超晶胞模型，模拟从1173K至300K的快速冷却过程，通过配对关联函数、Honeycutt-Anderson键合对分析等技术手段，结合电荷密度差计算，构建起成分-结构-性能的完整关联链条。

超晶胞构建与模拟细节
研究团队设计含8.33at.% Mo的Ti-Mo合金超晶胞，重点考察沿<111>β方向排列的"-Mo-Ti-Mo-"线性团簇结构。通过AIMD模拟获得不同温度下的原子轨迹数据，采用VASP软件进行电子结构计算，实验验证则使用水淬Ti-15Mo(wt.%)合金的HAADF-STEM观测。

结果

1. 成分与结构关联：HAADF-STEM直接证实ω_ath优先形成于Mo贫化区，模拟显示的局部结构特征与实验观测高度吻合。
2. 温度依赖性：Honeycutt-Anderson对分析揭示700-500K为ω_ath活跃转变区间，此温度段1551键合对（对应bcc结构）显著减少，而1541键合对（对应ω相）急剧增加。
3. 电子机制：电荷密度差分析显示Mo-Ti键的积分电荷密度差沿<111>β方向为正值（0.012 e/?³），而Ti-Ti键为负值（-0.007 e/?³），从电子层面解释了Mo对局部结构坍塌的抑制作用。

讨论与结论
研究首次动态捕捉到ω_ath坍塌的原子尺度电影：在快速冷却过程中，Ti原子周围首先出现类ω相的中程有序结构，而Mo原子如同"结构锚点"般维持周围晶格稳定。这种差异源于电子结构的本质区别——Mo-Ti键的强共价性使其成为能量洼地，而Ti-Ti键的弱键合特性则成为结构坍塌的驱动力。温度降至700K以下时，热扰动能量与坍塌势垒相当，促使Mo贫化区发生协同原子位移，形成典型的六方ω相（完全坍塌）或三方ω相（部分坍塌）。

该研究不仅解决了ω_ath转变机制的长期争议，更提供了通过成分设计调控相变行为的明确路径：增加Mo含量可抑制ω相形成从而改善塑性，而局部降低Mo浓度则能诱发ω相提升强度。这种"原子尺度裁剪"策略为开发新一代高性能钛合金奠定了理论基础，在航空航天发动机叶片、骨科植入体等需要强度-韧性协同优化的领域具有重要应用前景。