在700°C下，一种具有双模微观结构的增材制造Ti-6.9Al-6.8Zr-2.3Mo-2.2V-0.7Nb合金表现出优异的延展性和β-层片断裂机制

《Journal of Alloys and Compounds》：Exceptional ductility and β-lamellae fragmentation mechanism in an additively manufactured Ti-6.9Al-6.8Zr-2.3Mo-2.2V-0.7Nb alloy with a bimodal microstructure at 700 °C

研究激光直接沉积Ti-6.9Al-6.8Zr-2.3Mo-2.2V-0.7Nb合金的高温变形行为与α相形态的关系。通过调控热处理获得片层状、等轴状、晶界状及 Widmanst?tten primary α（αp）和细小 secondary α（αs）的多元显微组织。发现500-600℃以界面强化主导，700℃时β相片层断裂、界面扩散滑移显著增强，双模组织（BM）展现出优异的延展性，源于界面滑移促进、β片层断裂释放应力及等轴αp相协调变形的协同效应。揭示了α相形态对高温变形机制的关键作用。

　　高温度钛合金因其优异的强度、刚度和高温蠕变性能，被广泛应用于航空发动机等关键部件。然而，传统的高温钛合金由于其宽泛的凝固温度范围，难以通过增材制造技术进行加工。这促使研究人员探索适合增材制造的新型钛合金，以满足复杂结构件的制造需求。增材制造技术，如激光直接沉积（LDD），能够在不产生大量废料的情况下，快速制造具有复杂几何形状的零件。尽管LDD技术在制造过程中展现出诸多优势，但其生成的微观结构通常包含针状马氏体相和残余应力，这会导致材料表现出高强度但较低的延展性和断裂韧性。

为了解决这一问题，研究者通过不同的热处理工艺，调控α相的形态，从而优化材料的机械性能。例如，通过固溶和时效处理，可以形成具有优异性能的双峰微观结构（BM）。BM结构通常由等轴的初生α相（αp）和细小的次生α相（αs）组成，这种结构能够有效提高材料的延展性和强度。等轴αp相能够协调局部塑性应变，提升材料的延展性，而细小的αs相则有助于激活金字塔滑移系，增强材料的屈服强度。因此，BM结构被认为是实现强度与延展性之间最佳平衡的关键。

本研究聚焦于一种通过LDD技术制造的Ti-6.9Al-6.8Zr-2.3Mo-2.2V-0.7Nb合金，系统探讨了α相形态对其高温变形行为的影响。通过多种热处理工艺，获得了具有不同α相形态的微观结构，并对其在500至700℃范围内的拉伸性能进行了测试。研究发现，随着温度的升高，材料的变形机制发生了显著变化。在500至600℃范围内，界面强化成为主导机制，此时材料表现出较高的强度，且β相转变区域（βt）的体积分数增加。然而，当温度达到700℃时，材料的变形行为发生了根本性的转变，热激活效应显著增强，导致了明显的界面扩散和滑动现象，同时伴随着β层状结构的广泛断裂。

在700℃的变形过程中，β层状结构的断裂成为影响材料性能的重要因素。通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对变形过程中的微观结构变化进行了深入分析，发现β层状结构的断裂不仅影响了材料的强度，还显著提高了其延展性。特别是在双峰微观结构中，β层状结构的断裂与等轴αp相的协调作用相结合，使得材料在高温下表现出卓越的延展性。这种性能的提升归因于多个因素的协同作用：增强的界面滑动、广泛的β层状结构断裂，以及等轴αp相所提供的优异变形兼容性。

此外，研究还发现，α相的形态对材料的高温变形行为具有决定性影响。例如，具有较小长宽比的α相能够更有效地协调变形，从而提升材料的延展性和高温流动特性。相反，长宽比较大的α相则不利于变形协调，但能够增强材料的蠕变强度、疲劳裂纹扩展阻力和断裂韧性。因此，调控α相的形态成为优化增材制造钛合金性能的重要手段。通过不同的热处理工艺，如三阶段退火、循环热处理和固溶时效处理，可以实现对α相形态的精确控制，从而获得适合特定应用场景的微观结构。

在高温变形过程中，β层状结构的断裂行为尤为关键。研究通过显微镜技术观察了β层状结构在变形过程中的演变，发现其断裂不仅发生在β相内部，还与α相的形态密切相关。在700℃的变形条件下，β层状结构的断裂程度显著增加，这种断裂行为有助于材料在高温下更好地适应塑性变形，从而提高其延展性。然而，β层状结构的断裂也可能导致材料强度的下降，因此需要在不同温度条件下找到最佳的变形机制。

为了进一步理解高温变形过程中β层状结构的断裂行为及其对材料性能的影响，研究采用了多种微观分析技术。这些技术包括SEM和TEM，用于观察材料在变形过程中的微观结构变化。通过这些技术，研究人员能够清晰地看到β层状结构在高温下的断裂过程，以及其与α相之间的相互作用。研究结果表明，β层状结构的断裂不仅影响了材料的力学性能，还对其高温变形行为起到了关键的调控作用。

本研究的成果不仅揭示了α相形态对高温变形行为的决定性影响，还为设计高性能的增材制造钛合金提供了新的思路。通过调控α相的形态，可以实现材料在高温下的强度与延展性的最佳平衡，从而满足航空发动机等高温应用对材料性能的严格要求。此外，研究还强调了热处理工艺在调控微观结构方面的重要性，不同热处理条件下的微观结构演变对材料性能的影响具有显著差异。

综上所述，本研究通过对Ti-6.9Al-6.8Zr-2.3Mo-2.2V-0.7Nb合金在不同温度下的变形行为进行系统分析，揭示了α相形态对材料性能的关键作用。研究结果表明，高温下材料的变形机制发生了显著变化，β层状结构的断裂成为影响材料性能的重要因素。通过调控α相的形态，可以有效提升材料的高温性能，从而为高性能钛合金的开发和应用提供了重要的理论支持和实践指导。