热沟槽与亚晶界能量协同调控TA1纯钛β相晶粒生长的循环相变机制研究

为解决钛合金高温β相晶粒尺寸精确控制的难题，研究人员通过设计单相与循环相变实验，结合原位高温共聚焦和EBSD表征，揭示了热沟槽(Thermal Grooves)与亚晶界(Sub-Boundary)能量协同调控TA1纯钛β相生长的动力学机制，实现了0.71-22.48 mm范围内β相极限尺寸的精准制备，为高性能钛合金微观结构设计提供了新范式。

　　

钛合金因其优异的强度重量比和耐腐蚀性，已成为航空航天和生物医学领域不可替代的结构材料。然而，高温下β相晶粒尺寸的精确控制一直是制约其性能优化的关键瓶颈。传统热处理方法中，β相生长会因热沟槽的钉扎效应而停滞，而循环相变过程中亚晶界能量的积累机制尚未明确，这直接限制了钛合金微观结构的可设计性。

针对这一挑战，国内某研究机构的研究人员以TA1纯钛为研究对象，通过创新性地设计单相与循环相变对比实验，结合超高温激光共聚焦显微镜(UHTLCM)原位观测和电子背散射衍射(EBSD)等多尺度表征技术，系统揭示了热沟槽与亚晶界能量协同调控β相生长的动力学机制。相关成果发表在《Journal of Materials Research and Technology》上，为钛合金微观结构设计提供了理论依据和实践指导。

研究采用三大关键技术：1）超高温激光共聚焦显微镜实现β相生长的原位动态观测；2）电子背散射衍射技术解析亚晶界分布与取向演化；3）原子力显微镜定量测量热沟槽深度。通过建立TA1纯钛板冷轧退火样本队列，设计温度梯度(850-1150°C)、时间梯度(1-4小时)和循环次数(1-3次)等多参数实验体系。

3.1 原位晶粒生长分析
研究发现850°C时α相生长受晶界热沟槽抑制，882°C以上β相生长则被穿晶热沟槽阻碍。循环相变中，β→α_s相变产生的亚晶界网络提供了额外50%的能量驱动，使β相突破热沟槽钉扎实现持续生长。

3.2 β相生长机制
通过TEM揭示热沟槽形成存在双路径：Fe₂Ti金属间化合物因高蒸气压优先挥发形成沟槽核；β→α_s相变原子扩散不足导致位错聚集区成为沟槽新成核点。

3.3 亚晶界能量作用
Read-Shockley方程计算表明，循环相变积累的亚晶界能量贡献了约50%的晶界迁移驱动力，其能量密度与相变次数呈正相关，这是实现β相尺寸跨数量级调控(0.71-22.48 mm)的关键。

该研究建立了钛合金β相尺寸调控的三重机制模型：1）热沟槽钉扎效应抑制常规生长；2）循环相变诱导亚晶界能量积累提供额外驱动力；3）通过控制相变次数实现极限尺寸精准制备。这一发现不仅解决了高温β相尺寸控制的科学难题，更通过热力学约束与动力学调控的协同，为开发具有定制化微观结构的高性能钛合金提供了新思路。特别是提出的"相变次数-晶粒尺寸"定量关系模型，可直接指导航空航天用钛合金部件的热处理工艺优化，在提升材料高温蠕变抗力和晶界腐蚀抗性方面具有重要工程应用价值。