超声表面局部滚压处理构建TC4钛合金双向异质结构的强塑性协同机制

为解决钛合金强度-塑性倒置难题，研究人员通过超声表面滚压(USRP)和局部超声表面滚压(PUSRP)技术，在TC4钛合金中构建了包含轴向梯度与径向异质的双向结构(BH)。研究发现PUSRP处理的试样通过几何必需位错(GNDs)堆积产生的异质变形诱导(HDI)应力强化，实现了强度提升23%的同时保持15%延伸率，为航空航天钛构件性能优化提供了新思路。

　　

钛合金作为航空航天领域的"太空金属"，其强韧性矛盾始终是制约性能突破的瓶颈。传统均匀化处理往往导致强度提升伴随塑性骤降，而梯度结构设计虽能缓解这一矛盾，但单一轴向梯度难以实现多维度性能协同。更棘手的是，现有超声表面滚压(USRP)技术虽能提高表面硬度，却因完全变形区位错容纳能力下降引发早期断裂。这些困境呼唤能同时调控多维度异质结构的新方法。

针对这一挑战，中国的研究团队创新性地提出局部超声表面滚压(PUSRP)策略，通过在TC4钛合金中构建独特的双向异质结构(BH)，实现了强度与塑性的"鱼与熊掌兼得"。这项发表在《Materials Science and Engineering: A》的研究，揭示了异质界面几何必需位错(GNDs)的多向堆积激活多轴应力状态的强化机制。

研究采用三项关键技术：通过控制滚压区宽度构建径向/轴向异质结构；结合电子背散射衍射(EBSD)和双束衍射分析位错构型；利用显微硬度测试和原位拉伸验证HDI应力强化效应。实验选用Φ12mm的TC4钛合金棒材，经950℃固溶处理后进行差异化滚压处理。

材料与实验方法
研究采用成分为6.7wt.%Al-4.2wt.%V的TC4钛合金，通过调制滚压区域宽度构建两种异质结构：轴向梯度结构贯穿表面至亚表层，径向结构则呈现滚压/未滚压区交替分布。与传统USRP全表面处理不同，PUSRP保留特定未变形区域以维持位错存储能力。

双向异质结构的形成与表征
EBSD分析显示，基体由等轴α_p相和针状β_t相组成，KAM(核平均错配度)值仅0.21°。经PUSRP处理后，滚压区形成<100nm超细晶，相邻未滚压区则保留原始晶粒。值得注意的是，异质界面处GNDs密度达到基体的8倍，这种位错墙结构为HDI应力产生提供了物理基础。

讨论
拉伸测试表明，PUSRP试样屈服强度达1100MPa，较基体提升23%，同时延伸率保持在15%以上。机理分析揭示：径向异质结构中，滚压区约束未变形区的塑性流动，激活额外的〈c+a〉滑移系；轴向梯度则通过位错多向堆积产生背应力强化。当未滚压区宽度超过6mm时，HDI应力传递受阻，性能回归基体水平。

结论
该研究突破传统均匀化处理局限，通过PUSRP构建的双向异质结构实现了三重创新：首次在钛合金中实现径向/轴向梯度协同调控；阐明GNDs多向堆积激活多轴应变的强化机制；确立6mm为最优未滚压区宽度阈值。这项成果为航空发动机叶片等关键部件的性能优化提供了新范式，其"局部强化引发全局增效"的设计理念可拓展至其他结构材料体系。