淬火诱导元素扩散构建TA15合金化学梯度区的强韧化机制研究

为解决双相钛合金强度-塑性难以协同提升的问题，中国科学院金属研究所团队通过短时固溶淬火（STA）调控TA15合金αp /βt 界面元素扩散，构建化学梯度区（CGR）。该结构通过异质变形诱导（HDI）强化和几何必需位错（GNDs）背应力效应，使合金抗拉强度提升28.75%至1339 MPa，同时保持9%延伸率，为高性能钛合金设计提供新范式。

　　

钛合金作为航空航天领域的"太空金属"，其强度与塑性的"跷跷板效应"长期困扰材料科学家。传统TA15合金虽具备优异的耐腐蚀性和高温稳定性，但常规热处理难以突破强度极限而不牺牲塑性。这一瓶颈源于其典型双相结构中，初生α相（α_p
）提供塑性而转变β组织（β_t
）贡献强度，两者性能差异导致界面应变集中。更棘手的是，元素在α_p
（富Al）与β_t
（富Mo）间的不均匀扩散会形成性能突变的尖锐界面，成为裂纹萌生的温床。

中国科学院金属研究所团队在《Materials Science and Engineering: A》发表的研究中，创新性地采用"短时固溶+淬火+时效"（STA）工艺，在TA15合金中构建出化学梯度区（CGR）。这种微观结构革命性地将传统界面转变为宽度约300纳米的过渡带，其中垂直α_p
生长的纳米α层片形成硬度梯度，犹如微观"减震器"般协调变形。最终材料实现1339 MPa抗拉强度与9%延伸率的完美平衡，强度较常规处理提升近三成。

研究团队通过精确控制950℃/60min固溶后立即水淬的关键参数，结合550℃/120min时效处理。采用电子探针（EPMA）捕捉Al/Mo元素扩散轨迹，高分辨透射电镜（HRTEM）解析CGR纳米结构，纳米压痕技术量化微区力学性能，并借助数字图像相关（DIC）技术原位观测应变分布。特别选取(α+β)两相区锻造的TA15棒材（成分：Ti-6.7Al-2.14Zr-1.83Mo-2.4V），通过对比空冷（AC）与水淬（WQ）样本揭示冷却速率的核心作用。

微结构表征显示，水淬样本在α_p
/β_t
界面处形成独特的"三明治"结构：中心为β纳米颗粒，两侧排列α纳米层片。元素面分布证实Mo浓度从β_t
到α_p
呈梯度衰减，而Al呈现反向梯度，这种化学梯度驱动了β→α相变的局部发生。

CGR形成机制研究表明，快速冷却抑制元素长程扩散，迫使Mo/Al在界面附近短程重排。淬火过程中β相发生马氏体转变时，溶质拖曳效应导致α层片外延生长，形成硬度介于α_p
（3.2GPa）与β_t
（4.1GPa）之间的过渡区（3.6GPa）。

力学性能测试揭示CGR通过三重机制强化：1）HDI强化源自软（α_p
）/硬（β_t
）区应变不相容产生的GNDs背应力；2）界面强化得益于α/β界面密度增加；3）梯度结构有效分散应变能，DIC显示CGR样本应变分布均匀性较AC样本提升47%。

结论与讨论部分强调，该研究首次将化学梯度设计引入钛合金领域。CGR中GNDs密度计算表明，其产生的背应力贡献约214 MPa强度增量。时效处理后β_t
内析出的次生α相（α_s
）进一步优化强塑性匹配。该方法普适性强，可推广至Ti-6Al-4V等双相合金体系，为航天紧固件、发动机叶片等关键部件提供材料解决方案。研究团队特别指出，未来可通过机器学习优化STA工艺窗口，实现CGR特征的精确编程控制。