热处理温度调控对船用钛合金环件微观结构与力学性能各向异性的优化机制研究

本研究针对大型Ti6321钛合金环轧件在海洋工程应用中存在的力学性能各向异性问题，系统分析了不同退火温度对其微观组织演变和力学性能的影响。研究发现，在β相变温度（Tβ）以下约30°C（980°C）进行退火可形成双态组织，显著改善冲击韧性和强度的各向异性，为大型钛合金构件的工业化热处理工艺提供了重要理论依据。

　　

随着海洋资源开发的不断深入，深潜器耐压壳体对材料性能提出了极高要求。钛合金因其高比强度、耐腐蚀性和良好的焊接性能，成为深海装备的关键结构材料。Ti–6Al–3Nb–2Zr–1Mo（Ti6321）作为一种近α型钛合金，在保持高强度的同时具备优异的韧性，已逐步应用于大型环轧构件制造。然而，环轧过程中不均匀的应变分布会导致微观组织异质化，进而引起力学性能的各向异性，这一问题在大型构件中尤为突出。尽管已有研究通过成分优化、工艺改进和热处理等方式尝试调控性能，但针对大型钛合金环轧件微观组织与性能关联性的系统性研究仍较为缺乏。

为明确热处理对Ti6321合金环轧件性能各向异性的影响机制，研究人员开展了一系列不同温度下的退火实验，结合微观结构表征与力学性能测试，系统分析了 annealing temperature（退火温度）与微观组织、力学性能之间的关系。该研究发表于《Journal of Materials Research and Technology》，为大型钛合金环轧构件的热处理工艺优化提供了重要依据。

在研究过程中，作者采用了多尺度、多方法的分析策略，主要包括：取自240 mm × 60 mm × 60 mm Ti6321环轧坯料的试样制备；差示扫描量热法（DSC）测定β转变温度（T_β≈1013°C）；在950°C至1030°C区间设置多个退火温度点（每10°C一档），进行120分钟保温后空冷；利用扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）分析微观组织与晶体学取向；X射线衍射（XRD）进行物相鉴定与织构分析；依据ISO标准开展拉伸与冲击性能测试，试样分别沿轧向（RD）和横向（TD）截取，以评估各向异性。

3.1. 微观结构演变

研究显示，随着退火温度升高，初生α相（ɑ_p）体积分数逐渐减少，而次生α相（ɑ_s）自β相析出的比例显著增加。在980°C（T_β – 30°C）下，ɑ_p体积分数降至22.03%，形成典型的双态组织（bimodal microstructure），此时材料兼具良好的强度和韧性。当温度升至1000°C（T_β – 10°C）时，组织进一步向网篮状结构转变，ɑ_p比例急剧下降至6.04%，而ɑ_s体积分数显著增加。在1030°C（超过T_β）时，组织完全转变为魏氏体（Widmanst?tten structure），初生α相完全消失，β晶粒粗化并析出大量ɑ_s集落。

3.2. 晶粒演化与力学性能

EBSD分析表明，随着退火温度提高，位错密度显著降低，晶粒尺寸逐渐增大。在980°C退火后，由于β相变和ɑ_s析出，位错密度大幅下降，同时晶界迁移和再结晶过程改善了组织的均匀性。此时，冲击韧性显著提高，且各向异性得到明显抑制。而在1000°C退火后，尽管位错密度进一步降低，但由于β晶粒的定向生长和ɑ_s相的织构效应，拉伸性能出现明显各向异性——横向强度高于轧向，差异达80 MPa（超过10%）。当温度超过T_β（1030°C）时，由于ɑ_s集落的多变体选择效应和滑移系激活，性能各向异性再次减弱，但延伸率显著下降。

通过对不同退火温度下试样的XRD与极图分析，作者发现织构强度随温度变化呈现先升高后降低的趋势。在1000°C时，由于β晶粒的定向生长和ɑ_s相的 Burgers 取向关系（BOR）继承，{0001}基面极密度显著升高，导致强烈的性能各向异性。而在1030°C时，尽管极图显示ɑ_s集落具有相近的晶体学取向，但由于多滑移系的激活，未出现明显的织构效应，力学性能趋于均匀。

研究结论表明，Ti6321合金环轧件的性能各向异性主要源于微观组织中ɑ_p与ɑ_s相的分布、位错密度变化以及晶体学织构的演变。在T_β以下约30°C（980°C）进行退火处理，可在降低位错密度的同时形成双态组织，有效平衡强度与韧性，抑制各向异性。这一发现为大型钛合金环轧构件的热处理工艺提供了明确指导，有助于提升海洋工程装备的结构可靠性与服役寿命。作者在讨论部分进一步指出，未来研究应关注双相区退火、冷却速率控制及数值模拟在织构预测中的应用，以深化对钛合金性能调控机制的理解。