热加工工艺对高强度钛合金Ti-1500微观结构与力学性能的协同调控机制研究

为解决钛合金"强度-塑性倒置"难题，东北大学材料科学与工程学院团队创新性地采用轧制-拉拔复合热加工工艺，在Ti-1500合金中成功构建双模态组织。研究显示，拉拔工艺使合金强度提升至1600 MPa的同时延伸率达11%，通过形成α相<0001>//RD织构提高临界分切应力(CRSS)，并激活多滑移系协调变形，为航空航天领域高性能钛合金设计提供了新思路。

　　

钛合金作为航空航天领域的关键结构材料，其强度与塑性的"鱼与熊掌"问题长期困扰着工程应用。传统轧制工艺虽可通过晶粒细化实现一定强化效果，但随着变形量增加往往导致塑性急剧下降，这种现象在高强度钛合金中尤为突出。现有纳米晶扭折、多尺度微观结构设计等方案虽在实验室取得进展，却面临工艺复杂、成本高昂等产业化难题。

东北大学材料科学与工程学院的研究团队独辟蹊径，以西北有色金属研究院开发的Ti-1500合金（Ti-Al-Mo-V-Cr-Zr-Nb七元体系）为研究对象，通过轧制后接续拉拔的热机械加工工艺，成功制备出兼具高强度（1600 MPa）与高塑性（11%延伸率）的钛合金棒材。这项突破性成果发表在《Materials》期刊，为解决钛合金强度-塑性权衡难题提供了新范式。

研究团队采用扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)进行微观结构表征，结合加载-卸载-再加载(LUR)拉伸实验测量背应力，系统分析了轧制与拉拔工艺对组织演变的调控机制。通过双束条件衍射技术解析位错结构，并利用Schmid因子计算评估不同滑移系激活倾向。

3.1 拉拔工艺对性能的影响

对比轧制态样品，拉拔后Ti-1500棒材屈服强度提升255 MPa，同时延伸率显著提高46.7%。这种"强韧兼得"的特性使其在工程应用性能对比图中脱颖而出，其抗拉强度超越多数实验室研究数据。

3.2 微观结构演变规律

拉拔工艺促使连续β晶界消失，形成等轴α_p与棒状α_p的双模态组织。EBSD分析显示拉拔后小角度晶界比例显著增加，α_s相呈现长短两种形态，其中短α_s相厚度约23.79 nm，长α_s相达53.23 nm。

3.3 织构类型的转变

拉拔形成α相强<0001>//RD纤维织构与β相<110>//RD织构。极图分析显示α相织构密度值达11.4，这种取向使基面滑移难以启动，显著提高激活滑移系所需的CRSS。

3.4 滑移机制的变化

TEM观察发现拉拔样品在变形初期即激活< c+a >型位错，而轧制样品仅见型位错。这种差异源于拉拔形成的织构使{1122}<1123>滑移系的Schmid因子高达0.499，更易启动高CRSS的滑移。

3.5 两相协调变形能力

LUR实验显示拉拔样品的背应力始终高于轧制样品，表明α_p/β_tr界面应变梯度增强。KAM图显示拉拔样品变形更均匀，β_tr相中观察到罕见的{1011}<1012>压缩孪晶，证实两相协调变形能力提升。

这项研究通过创新的热机械加工工艺，在Ti-1500合金中实现了"织构强化+多滑系激活+两相协调"的协同调控。拉拔形成的<0001>//RD织构如同给α相装上"方向锁"，迫使变形通过高能垒的滑移进行；而双模态组织中的棒状α_p相则像"变形协调器"，与含粗大α_s的软β_tr相共同耗散应变能。该工艺突破为航空航天用钛合金的性能设计提供了新思路，其工业化应用前景令人期待。