应力驱动Ti-6Al-4V合金伏打电位演化的多尺度研究：晶体学与腐蚀敏感性的桥梁

本研究通过原位扫描开尔文探针力显微镜（SKPFM）、同步辐射高能X射线衍射（HE-XRD）、有限元模拟（FEM）和密度泛函理论（DFT）等多尺度方法，揭示了Ti-6Al-4V合金在机械载荷下伏打电位（Volta potential）的演化规律。研究发现α和β相电位在弹性阶段受晶体应变各向异性调控，塑性阶段则由位错运动主导，为应力腐蚀开裂（SCC）防护的合金设计提供了新见解。

　　

钛合金Ti-6Al-4V（TC4）因其高强度、耐腐蚀性广泛应用于航空航天和生物医学领域，但应力腐蚀开裂（SCC）问题长期困扰工程实践。传统研究多聚焦单一尺度，难以全面揭示机械应力如何通过微观结构变化诱发局部腐蚀。这一“黑箱”机制限制了高抗SCC合金的设计。

上海光源BL12SW线站联合团队通过多尺度方法破解了这一难题。原位扫描开尔文探针力显微镜（SKPFM）首次捕捉到α/β双相在拉伸载荷下伏打电位的动态衰减，且两相电位差（VPD）随变形加剧而增大。同步辐射高能X射线衍射（HE-XRD）显示弹性阶段晶体应变呈现显著各向异性，而塑性阶段位错滑移成为主导机制。有限元模拟（FEM）量化了应力集中效应，密度泛函理论（DFT）则从电子结构层面证实：弹性应变通过改变费米能级位置调控电位，而塑性变形引发的位错增殖会形成局部电子态密度峰值，加速电化学溶解。

关键技术包括：1）原位SKPFM实现纳米级电位成像；2）HE-XRD获取相分辨晶格应变；3）FEM模拟应力/应变场；4）DFT计算应变/位错对电子结构的影响。实验依托上海同步辐射光源（SSRF）完成。

【主要结果】

1. 伏打电位演化双阶段机制：弹性阶段电位变化与HE-XRD测得的晶格应变呈线性关系，β相因体心立方结构对<100>方向应变更敏感；塑性阶段位错导致的局部晶格畸变使电位下降幅度达200 mV。
2. 应变梯度驱动VPD增大：FEM显示α/β相界处应力集中系数达2.3，导致界面VPD从初始50 mV升至180 mV，成为微电偶腐蚀的“热点”。
3. 电子结构调控本质：DFT揭示6%拉伸应变使α相费米能级下降0.8 eV，而位错核心处出现未占据电子态，促进阳极溶解反应。

该研究建立了“晶体应变-位错-电子结构-腐蚀敏感性”的全链条机制，为开发抗SCC钛合金提供了理论基石。论文发表于《Scripta Materialia》，获国家重点研发计划（2022YFA1603803）支持。研究首次证实塑性变形通过改变电子态密度而非单纯几何缺陷影响腐蚀，这对理解铝合金、镁合金等材料的应力腐蚀具有普适意义。