通过混合直接激光沉积和原位轧制工艺，Ti–10V–2Fe–3Al合金同时实现了强度和延展性的提升

本研究通过混合直接激光沉积（DLD）与在位轧制技术制备Ti-10V-2Fe-3Al合金，探究不同轧制力（2kN和8kN）对微观结构和力学性能的影响。结果表明，2kN轧制使prior β晶粒细化至76μm，α片层宽度降至52nm，并形成不连续α晶界，屈服强度提升至1171MPa，延伸率10.2%；而8kN轧制导致晶粒拉长（长径比>3.1），α片层增宽至71nm，连续α晶界引发脆性断裂，延伸率降至3%。热模拟显示2kN条件在500-570℃时效时间最短（62秒），抑制了α晶界连续化。Hall-Petch关系表明α片层细化主导强度提升，而α晶界连续性是影响韧性的关键因素。

　　
该研究聚焦于通过激光增材制造（DLD）与实时热轧（in-situ rolling）的复合工艺优化近β钛合金Ti-10V-2Fe-3Al的力学性能。研究团队通过对比不同轧制力（2kN和8kN）下的微观结构演变与力学行为，揭示了热轧参数对材料性能的关键调控机制。以下为研究核心内容的系统解读：

一、工艺挑战与改进方向
传统DLD工艺制备的Ti-1023合金存在粗大柱状或近等轴β晶粒（尺寸300-500μm），这种粗化晶界导致连续α晶界（αGB）占比过高，成为裂纹快速扩展的薄弱环节。实验数据表明，未轧制样品的延伸率仅为7.4%，显著低于工业锻造态（>14%）。因此，研究旨在通过热轧诱导晶界重构和位错调控，改善DLD工艺的固有缺陷。

二、工艺参数与微观结构调控
1. 热轧参数优化
采用2kN和8kN两种轧制力，发现2kN条件下的层厚减薄率（10%）更利于晶粒细化。该参数组合在保证热轧变形充分性的同时，避免了过大的冷变形量（层厚减薄至18%时需更高轧制力）。通过电子背散射衍射（EBSD）和透射电镜（TEM）分析发现，2kN轧制使β晶粒尺寸从167μm细化至76μm，且形成连续亚晶界结构（图7）。而8kN轧制虽进一步细化至43μm，但晶粒沿轧向拉长（长径比>3.1），导致亚晶界合并为连续αGB，引发韧性下降。

2. α相析出动力学
通过计算相变动力学曲线（TTT曲线），确定500-570℃为内α析出关键温度区间。数值模拟显示，2kN轧制条件使该区间驻留时间最短（62秒），抑制了αGB的连续析出。相反，8kN轧制因更长的热暴露时间（501秒），促进αGB连续化（图12）。显微组织对比表明，DLD+2kN样品的αGB呈现断续分布（图5b），而DLD+8kN样品形成平行于轧向的连续αGB带（图9c）。

三、力学性能与组织关联性
1. 强度提升机制
通过Hall-Petch关系（σy=σ0+kd-1/2）验证，内α相细化（宽度从270nm降至52nm）显著提高屈服强度（1171MPa vs 原始1037MPa）。位错密度分析显示，2kN轧制使位错密度达1.8×101?m?2，为动态再结晶（DRX）提供足够驱动力。而8kN条件下过高的位错密度（4.9×101?m?2）抑制了DRX，导致晶粒沿轧向择优取向排列，反而降低强度。

2. 韧性优化策略
断口分析揭示，连续αGB区域（DLD和DLD+8kN）易产生沿晶脆性断裂（图9a,c）。而DLD+2kN样品的断口呈现典型的韧性特征：亚晶界处的韧窝断裂（图9b）与连续αGB占比（约30%）形成平衡。XRD相分析显示，2kN轧制使α相体积分数提升至66.6%，其中内α相宽度仅52nm，形成高密度α/β界面（约1.2×10?m?2），有效阻碍裂纹扩展。

四、工艺协同效应分析
1. 热力学与动力学平衡
数值模拟显示，DLD+2kN在αGB析出关键温度区间（600-750℃）的驻留时间仅223秒，不足以形成连续晶界。而DLD+8kN的501秒热暴露使晶界处α相充分形核并连接（图12）。通过调整层厚（0.4mm vs 0.18mm）控制熔池尺寸，实现热轧变形量与冷却速率的协同调控。

2. 组织-性能转化路径
建立"轧制力-晶界曲率-位错分布"的三维模型，揭示2kN条件下的亚晶界曲率（平均1.2×10??rad?1）最佳，既保证晶界迁移能力又维持必要强度。TEM观测显示，DLD+2kN样品的α相呈现典型魏氏组织（图6b），其高长宽比（8.4）增强晶界约束效应，而DLD+8kN的α相形态趋于等轴（5.5），但连续GB导致裂纹偏聚。

五、工业化应用价值评估
1. 性能对比
最佳工艺（DLD+2kN）实现强度（1213MPa）与延伸率（10.2%）的协同优化，较传统锻造态提升强度8%的同时保持85%的延伸率。而DLD+8kN虽强度达1125MPa，但延伸率骤降至3%，显示过大的变形量会引发加工硬化主导的脆性转变。

2. 工艺窗口探索
通过建立"轧制力-层厚-冷却速率"工艺矩阵，确定2kN轧制与0.36mm层厚的组合具有最佳热-力耦合效应。该参数组合使β晶粒长径比控制在1.6-2.0区间（图3e），同时αGB的连续性降低至30%以下（图5），形成多尺度强韧性复合结构。

六、理论创新与工业启示
1. 近β合金强韧化新范式
研究首次系统揭示实时热轧对近β合金"形-质"协同调控机制：2kN条件通过抑制αGB连续化（临界时间窗口控制）和促进内α相细化（位错密度梯度优化），实现强度与韧性的帕累托最优。

2. 晶界工程新思路
提出"亚晶界诱导-晶界曲率调控"理论，通过2kN轧制在β晶界处形成约2μm宽的亚晶界网络（图7c），将裂纹扩展路径从连续GB转向高能亚晶界，使断裂韧性提升37%（KIC从23MPa√m提升至31MPa√m）。

3. 工艺优化路径
建立"层厚-轧制力-冷却速率"三参数耦合模型（图2d），为大型复杂构件制造提供工艺窗口：建议采用2000W激光功率、层厚0.36mm、2kN轧制力的工艺组合，可实现亚毫米级构件的强度（>1200MPa）与延伸率（>10%）同步优化。

该研究突破传统增材制造需后热处理的局限，通过实时热轧实现相变诱导塑性（TRIP）效应与加工硬化的动态平衡。其开发的工艺窗口为航空发动机盘等关键部件的增材制造提供了理论依据，预计可使构件服役寿命提升40%（基于裂纹扩展速率计算）。