通过等温锻造实现TiB/Ti-55531复合材料的微观结构调控及优异的强度-延性协同性能

《RARE METALS》：Microstructure tailoring and superior strength-ductility synergy in TiB/Ti-55531 composites via isothermal forging

等温锻造在亚稳β钛合金及TiB/Ti-55531复合材料中调控微观组织，优化强塑性匹配，实现1514 MPa强度与6.7%延伸率。

　　

摘要

等温锻造是一种关键技术，它能够精确控制亚稳态β钛合金（β-Ti）的微观结构，从而获得理想的力学性能，进而实现复杂部件的制造。然而，针对亚稳态β-Ti基复合材料的等温锻造研究仍然较为有限。本文研究了Ti-55531合金和TiB/Ti-55531复合材料在(α + β)相区和β相区进行等温锻造时的行为。研究内容涵盖了微观组织演变、力学性能以及强化和增韧机制。等温锻造促进了基体晶粒的细化、次生α相（αs）的均匀化以及TiB晶须的有序排列。锻造温度对β相的再结晶行为和初生α相（αp）的析出具有重要影响。TiB的添加不仅加速了非连续动态再结晶过程，还促进了αp在TiB周围的弥散析出。结果表明，等温锻造后的样品力学性能显著优于铸态样品，其中复合材料的强度和塑性均优于相应的合金。具体而言，经过(α + β)相区等温锻造的复合材料达到了优异的强塑性平衡，其拉伸强度为1514 ± 16 MPa，总延伸率为6.7% ± 0.2%。其强化和增韧机制主要归因于由晶内αp、αs以及无α相析出区构成的多尺度微观结构，以及TiB晶须的承载强化作用。此外，与TiB紧密结合的αp通过激活多滑移系，有效阻碍了裂纹扩展，减轻了β转变组织与TiB之间的应力集中，从而提高了材料的塑性并改变了断裂模式。

图形摘要

中文摘要

等温锻造是一种关键工艺，它能够在亚稳β钛合金中精确调控微观结构，从而获得理想的力学性能，实现复杂部件的制造。然而，关于亚稳β钛基复合材料等温锻造的研究仍较为有限。本文对Ti-55531合金和TiB/Ti-55531复合材料在(α + β)相区和β相区进行等温锻造的情况进行了研究，深入探讨了其微观组织演变、力学性能及强化和增韧机制。研究发现，等温锻造促进了基体晶粒的细化、次生α相（αs）的均匀化以及TiB晶须的有序排列。锻造温度对β相的再结晶行为和初生α相（αp）的析出具有显著影响。TiB的添加不仅加速了非连续动态再结晶过程，还促进了αp在TiB周围的弥散析出。因此，等温锻造样品的力学性能明显优于铸态样品，其强度和塑性均优于合金。经(α + β)相区等温锻造的复合材料实现了优异的强塑性平衡，拉伸强度为1514 ± 16 MPa，总延伸率为6.7% ± 0.2%。其强化和增韧机制主要归因于由晶内αp、αs及无α相析出区构成的多尺度微观结构，以及TiB晶须的承载强化作用。此外，与TiB紧密结合的αp通过激活多滑移系，有效阻碍了裂纹扩展，减轻了β转变组织与TiB之间的应力集中，从而提高了材料的塑性并改变了断裂模式。