钛合金界面结构与热力学性质：深度学习助力材料性能优化

钛合金界面结构与热力学性质：深度学习助力材料性能优化

钛合金因其优异的性能而被广泛应用于航空航天、生物医学、汽车制造等领域。其性能的优化关键在于对α/β微观结构的精确控制。近期，香港城市大学材料科学与工程系Jian Han教授团队在这一领域取得了重要进展，他们采用分子动力学、热力学积分以及基于密度泛函理论（DFT）训练的深度学习势模型，深入研究了钛材料中α/β界面的结构和热力学特性。

钛合金因其卓越的性能和广泛应用，对其α/β微观结构的优化至关重要。界面能量是影响合金性能的关键，但直接测定其值极具挑战。新兴技术，包括热力学积分和基于DFT数据的神经网络模型，现已使得界面能量的精确计算成为可能，进而推动了材料设计和性能优化的新篇章。

Fig. 1 温度对α相和β相晶格常数和自由能的影响

由香港城市大学材料科学与工程系的Jian Han教授领导的团队，采用分子动力学、热力学积分以及经过密度泛函理论（DFT）训练的深度学习势模型，深入探讨了钛材料中α/β界面（即和)）的结构和热力学特性。

Fig. 2 相干α/β界面模拟模型示意图

研究首先集中于分析钛的相干α/β界面的热力学性质，并考察其如何受到应变和温度的影响。随后，团队对半相干界面的结构和属性进行了细致审查，并将这些发现用于理解β基体中α析出相的成核及生长过程，也就是从高温状态开始的冷却过程。

Fig. 3 温度对相干α/β界面自由能的影响

该论文的关键发现包括：（1）成功预测了钛中最关键界面（相干和半相干）的自由能，这是首次以接近DFT精确度进行此类计算（值得注意的是，β相在0K下完全不稳定，因而在没有人为约束的情况下DFT无法直接计算）；（2）模拟结果展示了半相干界面的平衡结构和本质的缺陷结构，这些结构解释了习惯面的普遍存在；（3）揭示了界面迁移的作用机理，并指出这一机理在不同方向（比如升温与降温）会导致界面迁移速率的不同；（4）这些精确的热力学和结构数据被用于可靠预测α-β相变冷却过程中析出相的形成。

Fig. 4 不同应变状态下α/β界面平衡温度和相干界面自由能的关系

此项研究不仅为准确预测界面属性和运动提供了指导，还为理解和预测包括在低温下不稳定的相和相干性丧失情况下的析出行为提供了实用的参考。该文近期发表于npj Computational Materials 9: 216 (2023)。

Fig. 5 半相干α/β界面模拟模型示意图

Editorial Summary

深势模型：钛合金界面的结构与热力学性质

钛合金，以其卓越的性能和广泛的应用，需要对其α/β微观结构进行优化以提升性能。界面能量作为影响合金性能的关键因素，其测量极具挑战性。新兴技术，包括热力学积分和基于DFT数据训练的神经网络模型，现已能够实现界面能量的精确计算，从而为材料设计和性能优化开辟了新的途径。

Fig. 6 半相干界面结构

香港城市大学材料科学与工程系Jian Han教授团队，采用分子动力学、热力学积分和DFT训练的深度势能模型，研究了钛中α/β界面的结构和热力学性质。

Fig. 7 半相干界面中的断线

研究团队首先聚焦于应变和温度对钛的相干α/β界面热力学性质的影响。接着，他们考察了半相干界面的结构和性质，并将这些发现应用于理解β基体中α析出相的成核和生长过程（即从高温状态开始的冷却过程）。

Fig. 8 半相干界面的能量组成

该论文的主要发现包括：（1）研究团队预测了钛中最重要界面（相干和半相干）的自由能，这是首次以接近DFT精度进行此类计算（值得注意的是，β相在0 K下完全不稳定，因此在没有人为约束的情况下DFT无法直接计算）；（2）模拟结果显示了半相干界面的平衡结构及其固有的缺陷结构，这些结构解释了习惯面的普遍存在；（3）研究揭示了界面迁移机制，并指出这种机制在不同方向（加热与冷却）会导致不同的界面迁移率；（4）这些精确的热力学和结构结果被用于可靠预测α-β相变冷却过程中析出相的形成。

Fig. 9 α相从β相中形核

这项研究为准确预测界面性质和运动提供了路线图，同时也为理解任何系统中的沉淀现象提供了实用参考，包括在低温下不稳定相的系统以及发生相干性丧失的系统。该文近期发表于npj Computational Materials 9: 216 (2023)。

Fig. 10 半相干α/β界面迁移

原文Abstract及其翻译

钛中的相干与半相干α/β界面：结构、热力学及迁移特性

Siqi Wang, Tongqi Wen, Jian Han & David J. Srolovitz

摘要

α/β界面是钛合金微观结构和力学性能的核心。本研究通过分子动力学（MD）模拟、热力学积分和基于密度泛函理论训练的深度势能模型，研究了温度和失配应变条件下钛的相干与半相干α/β界面的结构、热力学性质和迁移行为。研究发现，一个处于平衡状态的半相干界面由一系列台阶、失配位错和相干平台构成。通过分析，确定了界面上位错和台阶（断连）的阵列结构及其习惯面。MD模拟显示了由断连阵列交互作用形成的详细界面形态。研究表明，台阶结构促进了α/β界面的迁移，而失配位错则产生了对界面迁移的阻力，具体的阻力机制取决于界面迁移的具体方向。这些发现帮助我们预测了在α-β相转变冷却过程中α相成核的特性。