通过调控α相形态实现亚稳β钛合金高强度与高冲击韧性的协同优化

针对亚稳β钛合金强度与韧性难以兼顾的问题，研究人员通过热处理工艺调控成功制备了异质层状(HLM)、双态(BM)和细层状(FLM)三种显微组织。研究发现HLM（屈服强度～835 MPa，冲击韧性～91.4 J/cm2）和BM（～953 MPa，～65.4 J/cm2）样品展现出优异的强韧平衡，其粗大α层和初生α相通过促进裂纹偏转和延迟裂纹萌生机制显著提升性能，为极端环境用结构材料设计提供了新思路。

　　

随着石油勘探向高温高压深水环境拓展，传统结构材料已难以满足极端工况需求。钛合金因其高比强度、耐腐蚀等特性成为理想候选，但亚稳β钛合金长期面临强度与冲击韧性此消彼长的难题。冲击韧性作为抵抗裂纹扩展的关键指标，直接影响石油钻采设备的安全性。以往研究表明，添加6 wt.% Al虽能提升强度却会抑制位错运动导致韧性骤降，而Nb/Mo的引入虽改善韧性但难以突破强韧协同瓶颈。更棘手的是，显微组织的影响呈现"合金依赖性"——在Ti-6Al-4V中双态组织表现最优，但在Ti-55531等亚稳β合金中层状结构反而更优。这种复杂性使得开发普适性组织调控策略成为领域内亟待解决的挑战。

中国的研究团队在《Materials Science and Engineering: A》发表的研究中，创新性地采用多阶段热处理工艺，在Ti-4Mo-3Cr-1Fe-1Al合金中构建了三种典型组织：完全细层状(FLM)、双态(BM)和异质层状(HLM)。通过扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)等表征手段结合力学测试，系统揭示了α相形态对强韧协同的作用机制。

材料与方法
研究采用真空熔炼制备合金铸锭，经1050℃锻造和900℃热轧后，通过差异化热处理获得三种组织：FLM（完全细α层，厚度～0.11 μm）、BM（初生α相α_p+次生α相α_s）和HLM（粗细混合α层）。利用电子显微镜观察组织特征，通过拉伸试验和夏比冲击测试评价力学性能。

初始微观结构
FLM由均匀细α层（α_L）构成；BM包含椭圆状α_p（～0.98 μm）和细α_s（～0.09 μm），体积分数分别为40%和42%；HLM则呈现粗细α层交替分布的特征，热沟槽现象在α_p中尤为明显。

拉伸性能
FLM因纳米β通道限制位错运动而展现最高强度（屈服强度～1015 MPa），但塑性最差；BM和HLM通过α_p与β基体的协调变形实现强韧平衡，其中HLM的均匀延伸率比FLM提高近3倍。值得注意的是，拉伸塑性与冲击韧性呈正相关，这一规律在三种组织中高度一致。

冲击韧性机制
HLM（91.4 J/cm²）和BM（65.4 J/cm²）的优异表现源于双重机制：1）粗α层/α_p促使裂纹偏转，形成曲折扩展路径；2）多尺度组织延缓裂纹萌生。EBSD分析显示，HLM中高密度几何必需位错(GNDs)和变形孪晶有效吸收冲击能量，而BM中α_p/β界面则通过阻碍裂纹扩展提升韧性。

这项研究不仅证实异质层状结构可突破亚稳β钛合金的强韧倒置关系，更建立了"组织设计-变形机制-性能调控"的完整关联模型。其创新性体现在：首次在Ti-4Mo-3Cr系合金中实现91.4 J/cm²的超高冲击韧性，同时保持835 MPa以上屈服强度；揭示了粗α相通过促进裂纹分叉和二次裂纹形成来提升韧性的微观机制。该成果为深海钻探装备、航空航天关键部件等极端环境用材料的开发提供了理论依据和实践范式。