热机械变形对扩散连接TC11钛合金微观结构与性能的调控机制及工程应用

为解决扩散连接钛合金因晶格失配导致的力学性能下降问题，中国科学院金属研究所团队通过热机械变形技术对TC11钛合金界面进行调控。研究发现动态再结晶可消除α/β相界面晶格失配，使延伸率从1.7%提升至14.2%，冲击吸收能从3J增至38J，为航空航天领域高性能钛构件制造提供新方法。

　　

钛合金因其高比强度、优异耐腐蚀性和高温性能，在航空航天领域占据核心地位。然而，传统熔焊技术会导致焊缝区出现气孔、裂纹等缺陷，且热影响区与基体间显著的微观结构差异严重影响构件可靠性。扩散连接（Diffusion Bonding）作为固态连接技术，虽能避免熔焊缺陷，却面临界面晶格失配（Crystallographic Mismatch）这一新挑战——这种因动态再结晶导致的晶粒尺寸差异，会使TC11钛合金的延伸率骤降至1.7%，冲击吸收能仅3J，成为制约高性能构件应用的"卡脖子"问题。

中国科学院金属研究所团队在《Materials Science and Engineering: A》发表的研究中，创新性地引入热机械变形（Thermal Mechanical Deformation）技术。研究人员首先通过960°C/160MPa/4h热压工艺制备扩散连接TC11合金，随后进行多道次轧制变形。利用电子背散射衍射（EBSD）和X射线衍射（XRD）分析界面相组成，结合拉伸/冲击试验评估性能变化，系统揭示了热机械变形对界面微观结构的调控机制。

材料与方法
研究选用直径160mm的TC11（Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si）钛合金，其锻造态组织包含87.9%的等轴α相（Equiaxed α）和少量层状α相（Lamellar α）。通过热压扩散连接后，采用多道次轧制实现30%变形量，全程在β相变点以下温度进行。

微观结构与相组成
EBSD分析显示：原始扩散连接界面存在大量细小的再结晶α相（图8a），晶粒尺寸差异达5倍以上，形成明显晶格失配。经热机械变形后，动态再结晶使界面形成等轴α相（38.7%）、层状α相（46.2%）和β相（15.1%）的均匀混合组织（图3b），晶粒取向差从15°降至2°（图5）。

性能提升机制
拉伸测试表明：变形后合金延伸率提升8.3倍（14.2%），冲击吸收能增长11.7倍（38J）。这是由于：1）位错滑移促进α相晶界迁移，消除局部应力集中；2）β相在变形中充当协调相，缓解界面应变不协调；3）再结晶形成<112?0>织构（图7），优化了多晶协同变形能力。

结论与意义
该研究突破性地证明：热机械变形可通过动态再结晶完全消除扩散界面晶格失配，使TC11合金性能达到锻件水平。这一技术路径为航空航天用大型钛合金整体构件的可靠连接提供了新思路，其工艺参数（960°C/30%变形量）对TC4、TC17等α+β型钛合金具有普适指导价值。值得注意的是，研究中发现的β相协调机制和织构演化规律，为开发新一代钛合金连接技术奠定了理论基础。