双异质结构协同增强：多自由度成形制备Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr复合材料强塑性协同机制研究

《Journal of Alloys and Compounds》：Strength-plasticity synergy in Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr composite via dual-heterogeneous structure formation during multi-DOF forming

本文系统研究了多自由度成形技术对网络结构TA15/TiBw复合材料强塑性协同的提升机制。通过在不同温度区间（α+β区、近β区及β区）进行多自由度成形实验，发现1000℃成形时可形成包含初生α相（αp）、亚微米动态再结晶（DRX）晶粒和细长次生α相（αs）的双异质结构。该结构通过Hall-Petch强化、位错强化和载荷传递强化实现强度提升（1369MPa），同时DRX过程有效缓解界面应力集中，使伸长率显著提高至8.4%，为航空航天领域高性能钛基复合材料设计提供新思路。

　　

力学性能

图2展示了不同温度多自由度成形试样的力学性能。图2(a)为室温拉伸工程应力-应变曲线，图2(b)为对应加工硬化率曲线。图2(c)汇总了多自由度成形后的屈服强度、极限强度和伸长率，图2(d)通过强度-伸长率散点图对比了不同工艺制备的钛基复合材料（TMCs）性能。结果显示，随着变形温度升高，复合材料的极限强度和伸长率均呈现先增后降趋势。1000℃成形时性能最优，极限强度达1369±18MPa，伸长率为8.4±0.4%，较烧结态复合材料分别提升35.3%和14.2%。

微观结构形成机制

图8(a)(b)分别展示了900℃和950℃多自由度成形后TA15/TiBw复合材料典型区域的IPF图。图8(c)中四个不同取向的α晶粒（G1-G4）相互交织，其间分布等轴α晶粒。图8(d)为对应区域的KAM图，高KAM值区域（红黄色）集中在α晶界和TiBw界面附近，表明这些区域位错密度较高。动态再结晶（DRX）过程通过连续局部剪切变形促进小角度晶界向大角度晶界转化，有效协调塑性变形。亚微米DRX晶粒和细长α_s相通过应变分配机制缓解应力集中，从而实现强塑性协同提升。

结论

本研究通过多温度多自由度成形制备TA15/TiBw复合材料，获得双异质结构，显著增强网络结构复合材料的强塑性协同。主要结论如下：

(1) 在900℃和950℃成形时，初生α相（α_p）发生动态回复和部分再结晶，形成等轴α晶粒与细长α_s相共存结构；

(2) 1000℃成形时产生α_p晶粒（12.6μm）、亚微米DRX晶粒（300nm）和高长径比α_s相（6.4）的异质组合，TiBw网络结构保持完整；

(3) 异质结构通过Hall-Petch强化、位错强化和载荷传递强化提升强度，DRX过程优化应变分配从而保障塑性。