New transformation mechanism of TiB from Bf to B27 structure in β-solidified TiAl alloys，Songkuan Zhao, Bin Tang , Beibei Wei, Lei Zhu and Jinshan Li
http://dx.doi.org/10.1080/21663831.2026.2621085
B作为β凝固TiAl合金中的重要添加元素，极少量的B添加（<0.5at.%）就可以在凝固过程中实现细化晶粒的作用。但由于B在TiAl合金各相中极低的溶解度，难以全部固溶于晶体内，而在凝固组织中必不可免会形成硼化物。多项研究表明硼化物的结构、形貌和分布会影响TiAl合金整体的力学性能，所以研究硼化物的转变以及其中的转变机制具有重要意义。由于硼化物是在凝固过程中产生，过去的研究都聚焦于合金成分（B含量）和凝固冷却速率对硼化物的影响，而忽视了硼化物在其他过程中（比如高温下）的转变。此外，过去对硼化物转变的研究都局限于从晶体结构上进行描述，而缺乏实际的实验观察。
近日，西北工业大学凝固技术全国重点实验室李金山教授团队观察到了在1300℃下硼化物会同时发生形貌和结构上的转变，硼化物从凝固后的薄片状TiB（Bf结构）逐渐转变为块状TiB（B27结构）。采用高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）对处于转变中的硼化物进行了原子尺度的表征，揭示了TiB-Bf结构中(010)和{110)上的面缺陷与TiB-Bf→TiB-B27的转变有重要联系。相关研究成果以“New transformation mechanism of TiB from Bf to B27 structure in β-solidified TiAl alloys”为题发表在Materials Research Letters 上。论文的第一作者为博士研究生赵嵩宽，通讯作者为唐斌教授，实验室为第一作者单位，所属团队为李金山教授带领的稀有金属材料与加工研究团队。
图1 1300°C下TiAI合金凝固组织中硼化物发生结构与形貌转变，由厚度为纳米尺度的薄片状TiB(Bf结构)转变为微米尺度的TiB(B27结构);在转变前的TiB-Bf结构中存在大量面缺陷，而转变后的TiB-B27结构可以继续生长，并具有(100)的惯习生长面。图2 TiB-Bf结构中(010)上面缺陷的原子表征，发现其可以从单原子层的非本征层错扩展到形成几纳米的新结构，扩展过程可以描述为:(1)1300°C下单原子层的非本征层错形成，引入更大的原子间隙，(2)AI原子进入间隙中，将由层错造成的3层结构转变为5层结构，(3)上述过程逐层累积，形成几个纳米宽的新的有序(Ti,Al,B)结构;新结构的形成造成了TiB-Bf结构中[010]方向上的晶格畸变，为硼化物的转变提供了驱动力。
图3 TiB-Bf结构中{110)上面缺陷与硼化物的结构转变有直接联系，在(Ti,Al,B)结构形成产生的切应力驱动下，TiB-Bf结构中部分原子层发生了{110)面上的1/2]位移，直接形成局部的TiB-B27结构;在1300°C下这种结构位移叠加地在TiB-Bf结构中出现，逐步实现向TiB-B27结构的转变。研究表明，TiB-Bf→TiB-B27的结构转变主要由{110)面上1/2<1-10]的原子层位移叠加形成，而位移的驱动力来源于(Ti, Al, B)结构形成所带来的切应力，而(Ti, Al, B)结构的形成是从Al原子进入(010)上的层错引入的原子间隙中开始的。本研究揭示了β凝固TiAl合金中硼化物在高温下的转变机制，同时也为硼化物的形态调控提出了新的思路，但是如何协调硼化物形态分布以及合金的微观组织，做到性能的最优化，有待进一步探索。
唐斌，西北工业大学教授、博士生导师。主要从事航空航天用先进金属结构材料及其热制造技术研究，主持国家级科研项目20余项，获授权发明专利60余项，发表SCI论文100余篇，获教育部科学成果一等奖1项，GF科技进步一等奖1项，陕西省发明一等奖2项，陕西高等学校科学技术奖特等奖1项、一等奖2项。
图文 | 赵嵩宽
编辑 | 冯芳
责编 | 何峰
审核 | 禹亮
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