近日，东北大学材料科学与工程学院秦高梧教授团队在扩散型固态相变领域取得重要进展，发现了非界面位错诱导的拓扑密堆（TCP）析出相形核与长大台阶生长新机制，完全不同于传统认知。相关成果以“Structural pathway for nucleation and growth of topologically close-packed phase from parent hexagonal crystal”为题发表于金属领域期刊Acta Materialia。东北大学为唯一完成单位，材料学院博士研究生白俊源为第一作者，庞学永副教授、秦高梧教授为通讯作者。
固态相变历来是调控结构材料和功能材料的有效手段。对于给定相变，明晰母相转变为产物相的形成路径对于理解并控制相变是至关重要的。然而，由于相变的瞬态特性，目前仅有少数简单晶体结构之间的非扩散（位移）型相变路径得到了深入研究，如著名的Bain路径(bcc↔fcc)及Burgers路径（bcc↔fcc）。固体扩散型形核-长大相变，包括简单到简单（simple→simple）结构转变（如fcc→L12, hcp→D019, fcc→hcp等）和简单到复杂结构(simple→complex)结构转变，前者一般是通过原子短程shuffling或者不全位错滑移的台阶机制完成结构转变，并形成广泛共识。然而，合金中的simple→complex相变一直缺乏深刻认知。这是因为实验技术通常无法提供足够的时空分辨率以捕捉原子行踪，而理论模拟则常常受到原子间势函数精度不足或无法在传统的纳秒时间尺度内捕捉固体成核等小概率事件的限制。因此，理解固体扩散型相变中的形核和生长机制始终是固态相变领域内的研究热点及难点。
为阐明simple→complex扩散型转变涉及的形核-长大路径，该工作以镁合金为模型材料，使用第一性原理计算系统地研究了hcp结构Mg基体内一系列TCP相（包括Laves及Laves-like相）原位形核与长大的结构路径。通过引入TCP结构的晶体学新定义，理论计算确定了hcp→TCP析出转变中的基本结构转变单元（BSTU）为一种3层不稳定的hcp有序结构。通过第一性原理中的结构优化，这些BSTU有序原子团簇并不稳定，一旦它们在基体中生成便会自发坍塌形成TCP结构（图1所示）。并且整个结构演变过程均由此BSTU引导完成，致使hcp基体内TCP盘状沉淀的生成始于3层有序结构，并以2层原子为厚度单位增厚，其层数/厚度演变规律总结为：N=3+2n （其中N为TCP沉淀的总层数，n为增厚的次数），如图2所示。该结构演变路径得到了多项实验的证实，并且利用该路径该工作进一步评估了Mg2Ca及MgZn2 两种Laves相析出过程中临界形成核的原子结构及尺寸。
图1 不稳定的3层hcp有序结构单元形核示意图
该研究工作发现hcp→TCP转变表现出明显的非经典形核行为，即结构转变的发生仅取决于大尺寸原子的分布，这导致实际TCP沉淀易于出现多型性及偏离化学计量比的现象，据此统一了国内外不同研究组实验结果差异性的本源。Hcp→TCP转变属于不需要额外原子参与的保守型转变，整个转变过程中除原子扩散外，仅涉及shuffle-based的位移。特别地，该研究发现TCP盘状增厚过程中台阶的扩展主要取决于在TCP盘共格表面上形成新的BSTU，并且这里的台阶并不具备传统固态相变理论所考虑的界面位错属性。该研究工作不仅完善了纳米析出相台阶生长机制的材料科学理论（即传统的界面位错驱动的layer-by-layer台阶生长机制和新发现的非界面位错tri-layer台阶生成机制），而且为未来TCP相强化金属材料的耐热性与抗蠕变性能提出新的设计策略。
图2. Hcp合金内TCP盘状析出相形核与长大的结构演变路径示意图
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645424003513
