TEM案例分享-钛合金中纳米孪晶、9R相

本论文是关于激光粉末床熔合制备的钛合金研究，我们先了解一下相关名词解释：

Cu在钛合金中可以起到晶粒细化作用，而研究表明，即便在冷却速率很高的激光熔体加工中，Cu等溶质元素的纳米级偏析也是不可避免的。

有研究者利用这种纳米级偏析现象导致的界面处层错能（SFE）降低，在不锈钢的LPBF加工中诱发了纳米孪晶和9R相的形成。

由于钛合金具有较高的层错能，这一相在以往的研究中很少报道。这种结构只有在Ti-5at.%Al等合金发生剧烈塑性变形后才能观察到。由于形成能高，9R相通常出现在面心立方(FCC) Ti中，而不是六方密排(HCP) Ti中。

问题在于，与HCP-Ti相比，FCC-Ti很难获得。因此，通过元素偏析在LPBF钛合金中原位形成纳米孪晶和9R相仍然是一个挑战。

论文提出了一种利用激光粉末床熔合引入5wt.% Cu来制备纳米孪晶和9R相钛合金的有效方法。通过透射电子显微镜(TEM)系统地研究了成品试样和变形试样中纳米孪晶和9R相的演变。采用第一性原理计算揭示了9R相的形成机制。

首先需要了解的是经LPBF制备好的样品的微观组织情况。下图XRD可看到样品主要由α-Ti构成，EBSD的IPF面分布图可以直观看出片层结构的HCP相α-Ti。

XRD和EBSD可以表征较为宏观的样品结构信息，至于样品中含量更少或者更加文官的结构就要借助透射电镜来表征。下图中的选区电子衍射结果表明，样品中除了多晶α-Ti，还存在Ti2Cu相，这与Ti的共析转变（792℃下发生β → α + Ti2Cu）相吻合。

从EDS能谱面分布图可以看出Cu在板条边界偏析。另外，在STEM图像中还可以看到板条上有许多平行的穿透相(箭头所示)，这在LPBF中比较少见。

为了进一步研究α-Ti和Ti2Cu微观组织，需要在更高倍数下进行观察。下图中显示了板条和穿透相的细节，在板条边界处可以分辨出纳米颗粒（绿色箭头），推断富Cu的板条边界为共析区。在此区域中，发生了HCP到FCC的转变。

对图2c中的不同区域使用傅里叶变换（FFT），可得到了类似于衍射斑点的结果，可以用来分析物相结构，如图2d-g。图2f就显示了9R相的结构，可以看到1/3{111}的斑点出现了，这表示晶体中出现了最小有序周期为3倍于{111}晶面间距的结构。