热处理调控Ti-5Al-5Mo-5V-6Cr-1Nb合金微观结构与力学性能的协同优化机制

针对航空航天用高强韧钛合金的设计需求，研究人员系统研究了Ti-55561合金在双相区(750°C)和单相区(870°C)固溶+时效(500-600°C)处理的微观结构演变规律。发现双相固溶(DS)合金的UTS(1390→1141 MPa)与KIC(50.1→131 MPa·m0.5)呈反向变化，而单相固溶(SS)合金在520°C时效时UTS达峰值1331 MPa，600°C时KIC提升至137 MPa·m0.5。通过揭示αp等轴相与针状α相的协同作用机制，为新型钛合金性能调控提供理论依据。

　　

随着航空航天领域对轻量化材料需求的急剧增长，兼具高比强度与优异韧性的钛合金成为研究热点。其中，亚稳β型钛合金因其可通过热处理灵活调控微观组织而备受关注。Ti-5Al-5Mo-5V-6Cr-1Nb（Ti-55561）作为新型高β稳定化元素合金，其β相变温度（T_β=803°C）显著低于传统Ti-55511（T_β=870-875°C），但如何平衡其强度与韧性仍是重大挑战。已有研究表明，双模态组织（bi-modal）通常具有较高强度而篮网状组织（basket-weave）更利于韧性提升，然而针对Ti-55561这类高β稳定化元素合金的系统研究仍属空白。

为解决这一问题，来自中南大学的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表论文，通过设计双相区（750°C）和单相区（870°C）固溶结合多温度时效（500-600°C）的复合热处理工艺，系统揭示了Ti-55561合金微观结构演化与力学性能的关联规律。研究采用热锻造制备初始双模态组织，结合X射线衍射（XRD）和电子背散射衍射（EBSD）分析相组成，通过透射电镜（TEM）观察位错运动与孪生机制，并采用标准ASTM E399方法测试断裂韧性。

机械性能分析
双相固溶（DS）合金时效后，极限抗拉强度（UTS）从1390±11 MPa（500°C）持续降至1141±10 MPa（600°C），而断裂韧性（K_IC）从50.1±6.1 MPa·m^0.5提升至131±10.3 MPa·m^0.5。单相固溶（SS）合金则在520°C时效时呈现UTS峰值1331±13 MPa，600°C时K_IC达最高值137±13 MPa·m^0.5，展现出强度-韧性的"此消彼长"特性。

微观结构演化
DS合金保留等轴初生α相（α_p）与β转变亚结构中的针状时效α相，形成典型双模态组织；SS合金则仅含层状时效α相。500°C时效SS样品出现溶质扩散不足导致的"无析出区"，延缓相变进程。TEM分析发现，α相中主导<10-11>孪生与{332}<113>孪生，β相中以位错滑移为主。

断裂机制
DS样品断裂表面平滑，裂纹扩展阻力较低；SS样品因层状结构产生粗糙断口，裂纹偏转效应显著。这种差异源于层状结构中α/β相界对位错运动的阻碍作用。

该研究首次阐明Ti-55561合金通过双相/单相固溶处理可分别获得强度主导或韧性主导的性能特征：双相处理适合需要高强度（>1300 MPa）的应用场景，而单相处理更适用于要求高断裂韧性（>130 MPa·m^0.5）的部件。发现的{10-11}孪生与位错协同变形机制，为开发新一代高强韧钛合金提供了微观设计依据。研究结果对航空航天用承力构件（如起落架、发动机叶片）的选材与热处理工艺制定具有重要指导价值。