关键词：钛合金，合金化，ω相，相转变，高通量

1 案例背景

采用合金化以及不同热处理方式，体心立方的β-Ti合金具有适用不同服役条件的力学性能，其多功能性备受人们关注。热处理过程析出的硬质ω相（密排六方结构）会导致β-Ti合金性能恶化，限制合金的使用。人们通常选择采取合金化或热处理方式消除ω相。而本案例另辟蹊径，采用高通量计算筛选β相稳定化元素从而抑制ω相的生成。同时，作者从电子结构角度解释了合金化对相稳定性与力学性能的影响，并分析β→ω相变过程。经验证，选取Mo元素能抑制硬质ω相形核与长大，提高材料的塑性。

2 建模与计算方法

作者通过MedeA Environment中的InfoMaticA数据库搜索到β-Ti晶胞结构；首先用MedeA UNCLE分析二元金属合金Ti-X（W，Mo，V，Ta，Nb）结构，计算总能并绘制基态相图，得到Ti-X合金稳定结构；随后采用MedeA TSS计算β→ω相变能垒；采用MedeA MT计算不同合金成分下稳定的ω相-Ti-X结构热力学性质；最后采用MedeA VASP进一步分析Ti-X结构的总能量及电子性质，如态密度（DOS）等。

3 结果与讨论

3.1 基态相图与β→ω相变

作者采用MedeA UNCLE模块预测不同合金元素与含量的Ti-X结构。图1为纯β与ω相的结构，图2为不同合金及含量时Ti-X的基态相图，Ti-W，Ti-Mo与Ti-Nb形成能为负说明这些结构在热力学上是稳定的。

图1 纯β与ω相的结构

图2  不同合金元素含量时的基态相图(a)Ti-W，(b)Ti-Mo，(c)Ti-V，(d)Ti-Ta，(e)Ti-Nb。

作者采用MedeA TSS计算不同合金元素及含量对β→ω相变的影响，见图3。随着合金元素浓度增加，β→ω转变能垒升高，说明该转变会被强烈抑制；W与Mo的抑制效率高于V，Ta与Nb。

图3  不同合金元素含量时的β→ω相变能垒。

3.2 ω相的弹性常数

作者采用MedeA MT模块计算Ti-X结构的弹性常数，见图4。所有元素都能降低ω相的杨氏模量。 

图4  不同合金元素及不同浓度时Ti-X的杨氏模量。

3.3 电子结构与实验验证

Mo，W元素稳定β相的效率极高；而V，Ta，Nb效率较低。以Mo与Nb为例，作者采用MedeA VASP计算了Ti-X的DOS来分析β与ω相的稳定性，见图5。从图中可知：

（1）β相中Mo与Nb浓度低时，费米能级处的态密度较高表明β相不太稳定；

（2）ω相中Mo与Nb浓度低时，费米能级与赝能隙相近，说明体系具有较高的稳定性；

（3）β相中的Mo或Nb浓度增加，体系中d轨道电子增加且费米能级向赝能隙移动。说明体系稳定性增加。

作者采用Ti-6.5at.% Mo合金进行实验验证。该材料在直接退火时强度高、塑性差；而经过均匀化后强度降低而塑性增加，Mo均匀地分布在β与ω相中，实验结果与计算预测相符。

图5  Ti-X的总态密度（DOS）

4 总结与展望

本案例中作者通过高通量计算筛选了不同合金元素及含量的Ti-X结构，获得了二元基态相图，并计算其弹性常数，分析合金元素对硬质ω相弹性常数的影响，再加以实验证，实验结果与计算预测相符。此研究完成了从材料改性的计算预测，到实验验证，为材料改性提供了新的思路，对高性能材料研发具有路径指导意义。

参考文献：

DOI: 10.1038/s41598-021-91594-5

使用MedeA模块：

• MedeA Environment

• MedeA UNCLE

• MedeA VASP

• MedeA MT

•MedeA TSS