基于机器学习矩张量势揭示γ-TiAl中位错钉扎与解锁对其屈服强度异常的作用机制及其合金化调控策略

《ACTA MATERIALIA》：Role of dislocation locking and unlocking in the yield strength anomaly of γ -TiAl revealed by machine-learning moment tensor potential

本文综述了机器学习矩张量势在揭示γ-TiAl金属间化合物屈服强度异常现象中的应用。作者通过分子静力学和动力学模拟，深入剖析了〈0?1?1]螺型超位错通过交滑移实现钉扎（锁定）的微观机制。该机制涉及平面核心向非平面核心的转变，其中复杂堆垛层错转化为更稳定的超晶格本征堆垛层错。研究进一步发现，在非化学计量比γ-TiAl中，钉扎机制可以被改变，这为通过合金化策略调控屈服强度异常提供了理论依据。

　　

Highlight

Modified Thompson notation for slip systems in L1₀structures

我们首先引入一个正方形金字塔来表示L1₀结构中的位错滑移系，以便更好地可视化和分析位错转变。我们使用与面心立方（FCC）晶格的Thompson四面体类似的方法。如图1(a)所示，滑移系被表示在一个2 × 2 × 1的超晶格中，金字塔的顶点位于O(0,0,0)。

Planar and non-planar 〈0^?1^?1] screw superdislocation core structures

我们首先利用分子静力学模拟确定了〈0^?1^?1]螺型超位错的核心结构。在模拟中，观察到两种核心：在单个(1^?1^?1)平面上解离的平面核心（图2a,b），以及在两个相交的{1^?1^?1}平面上解离的非平面核心（图2c,d）。这两种结构可以从对应Volterra位错的结构优化中获得。

Core transition pathway at 0 K

在第三部分，确定了〈0^?1^?1]螺型超位错至少存在平面核心和非平面核心；前者能量较高，相对于在共轭{1^?1^?1}平面上交滑移形成的后者而言是亚稳态的。我们进行了推弹性能带计算，以揭示在0 K下这两种核心之间的转变路径及相关能量学。图3显示了转变的能量分布曲线和靠近能垒顶峰的临界位错构型。

Off-stoichiometric γ-TiAl

到目前为止，我们考虑的是化学计量比γ-TiAl中的〈0^?1^?1]螺型超位错。然而，γ-TiAl相在一个相当宽的成分范围内稳定，特别是在富铝侧，已知非化学计量比通过反位缺陷来调节。此外，反位缺陷也可能由于掺杂γ-TiAl而产生。

Dislocation locking mechanism for YSA in γ-TiAl

上述在0 K和有限温度下的模拟揭示了γ-TiAl中〈0^?1^?1]螺型超位错一系列丰富的核心相关行为。0 K的模拟表明，螺型超位错具有一个四重解离的平面核心和一个四重解离的非平面核心。平面核心是高度可滑移的，并且可以通过一个热激活过程转变为非平面核心，这个过程中涉及交滑移。这个转变导致一个更稳定、不可滑移（固着）的核心，从而钉扎了位错。重要的是，交滑移的频率在高温下增加，这与热激活钉扎机制一致，并且能够解释在中间温度范围内观察到的屈服强度异常现象。此外，在非化学计量比的γ-TiAl中，反位缺陷（例如Al_Ti）可以显著降低交滑移的能垒，从而改变钉扎机制，表明合金化是调控屈服强度异常行为的一个可行策略。

Conclusion

在这项工作中，我们利用新开发的机器学习原子间势，对L1₀结构γ-TiAl中的〈0^?1^?1]螺型超位错进行了分子静力学和动力学模拟。模拟工作清晰地揭示了位错核心解离、从平面到非平面核心的转变路径及相关能量学，以及在化学计量比和非化学计量比成分中的位错钉扎和解锁行为。在所有情况下，平面核心都被发现是亚稳态的，并且可以通过一个涉及交滑移的热激活过程转变为更稳定的非平面核心。这种转变与屈服强度异常现象中的位错钉扎（锁定）机制相一致。通过分析过渡态，我们提供了证据表明该机制与屈服强度异常相符。交滑移频率在高温下增加，这与热激活的钉扎机制一致。这项研究强调了位错核心转变的细节（包括转变路径和化学敏感性）对于理解γ-TiAl及其合金的屈服强度异常至关重要。