Ti-Zr-Ta合金的调幅分解过程相场模拟

潘卓; 花照林; 贺双; 张德闯; 许国保

doi:10.13715/j.issn.2096-644X.20250501.0001

湘潭大学学报（自然科学版） ›› 2025, Vol. 47 ›› Issue (6) : 112 -125. DOI: 10.13715/j.issn.2096-644X.20250501.0001

Ti-Zr-Ta合金的调幅分解过程相场模拟

潘卓, 花照林, 贺双, 张德闯, 许国保

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摘要

调幅型Ti-Zr-Ta合金因优异的生物相容性和力学性能在生物医用材料领域备受关注，但其调幅分解过程受多因素影响机制尚不明晰.该文旨在通过结合相场模拟与实验研究，系统探究Ta含量、时效温度和压力对Ti-Zr-Ta合金调幅微观结构演变规律的影响.基于Cahn-Hilliard方程建立相场模型，设定模型参数与边界条件，对Ti-36Zr-12Ta、Ti-36Zr-18Ta和Ti-36Zr-24Ta 3种合金在900 K时效温度下的调幅分解过程进行模拟；同时，针对Ti-36Zr-12Ta合金，设置不同时效温度参数，研究温度对其调幅微观结构的影响，并通过施加5 GPa的应力，观察应力作用下相结构的变化.采用高压实验设备，对Ti-Zr-Ta合金进行高压时效处理，运用透射电子显微镜分析压力作用下合金调幅分解微观结构的变化特征，验证和补充模拟结果.研究表明：随着Ti-Zr-Ta合金中Ta含量的增加，β₂相的体积增大，波长基本保持不变，而振幅则减小.对于Ti-36Zr-12Ta合金，随着时效温度的升高，β₂相的体积增大，但其数量显著减少.施加S₁₁^ex=5 GPa时，β₂相沿弹性软化方向（110）择优排列.另外，压力在0～3 GPa区间内，合金调幅分解速率加快，相结构细化程度提升；当压力超过3 GPa后，调幅分解进程受阻，相尺寸增大，相界面模糊.压力可有效调控Ti-Zr-Ta合金调幅分解速率，呈现出先促进后抑制的趋势.低压力下，弹性能促使原子扩散加速，降低调幅分解激活能，促进分解进程；高压力下，弹性能累积导致系统能量升高，抑制原子扩散，阻碍相结构演变，从而维持组织稳定性.该文深化了对压力作用下合金调幅分解行为的理解，为通过压力调控手段优化Ti-Zr-Ta合金微观结构与力学性能提供了理论指导.