Ti17合金β相高温变形过程中变形带形成机制及其对流动软化的影响研究

本研究针对Ti17合金在β相区热变形过程中出现的局部变形带(DBs)和过渡带(TBs)导致的流动软化现象，通过建立基于三种位错密度演化的平均场模型，结合热压缩实验和EBSD表征，揭示了DBs/TBs的形成机制及其对材料性能的影响规律，为钛合金热加工工艺优化提供了理论依据。

　　

钛合金因其高比强度和优异的耐腐蚀性能，在航空航天、化工、医疗和能源等领域具有广泛应用。其中近β型钛合金Ti17是制造航空发动机风扇叶片和压缩机盘等关键部件的首选材料。然而，这类合金在热加工过程中存在一个关键问题：当温度超过β相变温度（β-transus）时，会出现局部变形带（Deformation Bands, DBs）和过渡带（Transition Bands, TBs），这些微观结构的不均匀性会导致材料流动软化，进而影响最终产品的几何精度和力学性能。更棘手的是，钛合金本身导热性较差，局部变形发热和热软化效应会进一步加剧这种不均匀变形。虽然前人研究已发现动态回复（DRV）和连续动态再结晶（CDRX）是β相区主要变形机制，但现有模型均未能准确描述DBs/TBs的形成及其对流动软化的影响机制。

为攻克这一难题，来自奥地利格拉茨工业大学的Peng Wang、Ricardo Henrique Buzolin等研究团队在《Materials Science and Engineering: A》发表了创新性研究成果。他们通过系统的热压缩实验结合多尺度表征技术，首次建立了能够定量描述DBs/TBs演化的物理模型。研究人员在930-970°C温度范围和0.001-10 s^-1应变速率条件下对Ti17合金进行了等温压缩实验，采用石墨和钽箔作为润滑剂减少摩擦影响。通过光学显微镜（LOM）和电子背散射衍射（EBSD）对变形后的微观结构进行表征，重点分析了DBs/TBs的形貌特征和晶体学取向。基于Kocks-Mecking位错动力学理论，建立了包含三种位错密度（可动位错、不可动位错和亚晶界位错）演化的平均场模型，并采用混合法则将β相基体与DBs/TBs的贡献耦合到总流动应力计算中。

2. 实验方法

研究采用Gleeble?-3800热模拟试验机进行等温压缩实验，试样尺寸为Φ10×15 mm，沿锻造方向取样。实验前先将样品以5°C/s加热至目标温度并保温15分钟，随后在氩气保护下进行压缩变形，最大真应变达0.85，之后立即水淬以保留高温组织。温度控制采用K型热电偶，并使用石墨和钽箔减少端面摩擦。微观结构分析包括：通过Accutom-5精密切割机纵向取样，经SiC砂纸（#180-#1200）研磨和OP-S溶液抛光后，用HF+HNO₃+H₂O混合溶液腐蚀90秒，随后进行LOM观察和ImageJ软件定量分析。EBSD分析在TESCAN Mira3扫描电镜上完成，加速电压30 kV，扫描步长0.5 μm，数据经TSL OIM Analysis v.8软件处理，以12°为界区分小角度（LAGBs）和大角度晶界（HAGBs）。

3. 建模方法

提出的"KM+CDRX+TBs"多尺度模型创新性地将DBs/TBs的形成演化纳入传统Kocks-Mecking框架。模型假设微观结构由β相基体（含DBs）和TBs组成，其中TBs体积分数设为DBs的10%。通过修正的Arrhenius方程（公式1）描述DBs体积分数演化，其临界应变与峰值应力对应。应变速率分配采用混合法则（公式3），TBs局部应变速率可达β相基体的数十倍。位错密度演化考虑三种类型：可动位错保持恒定（Orowan方程），不可动位错和亚晶界位错分别遵循公式13和16。流动应力计算采用Taylor方程（公式20），其中热应力和非热应力分量分别由公式22和23确定。

4. 研究结果

4.1 流动应力

校正后的流动曲线与模型预测吻合良好（图3），平均绝对相对误差仅5.0854%。特别值得注意的是，与传统"KM+CDRX"模型相比，新模型成功捕捉到了由DBs/TBs导致的流动软化现象（图16a）。在高温（970°C）和低应变率（0.001 s^-1）条件下，DBs形成受到抑制，这与快速位错交互作用、湮灭和重组有关。

4.2 微观结构演化

初始β晶粒尺寸约500 μm（图4），变形后出现明显的带状结构（图5）。EBSD分析显示（图6-9），DBs优先在高Taylor因子晶粒中形成，并通过形成低Taylor因子区域来协调塑性应变。随着应变增加，TBs呈现锯齿状，DBs内部发生DRV和CDRX。KAM图（图6d-f）显示高变形区域集中在HAGBs和TBs附近，GND密度分布（图15）证实高应变率促进DBs形成。典型DBs的取向差分析（图7,14）表明，其与基体的取向差可达5-50°，而内部取向差较小。

4.3 模拟结果

模型成功预测了TBs体积分数随应变线性增加的趋势（图10），其局部应变速率初始可达10⁷ s^-1量级（图11）。位错密度模拟显示（图12），β相中位错密度随应变持续增长，而TBs中位错密度呈现显著振荡后趋于稳定，这种不稳定性在高温下更为明显。平均β晶粒尺寸模拟表明（图13），高应变率和低温促进晶粒细化，但模拟值较实验值偏小，这与模型假设的均匀变形有关。

5. 结论与展望

这项研究通过多尺度实验与建模相结合，首次定量揭示了Ti17合金β相区热变形过程中DBs/TBs的形成机制及其对流动软化的影响规律。主要创新点包括：1）发现DBs优先在高Taylor因子晶粒中形核，通过局部晶格旋转实现"几何软化"；2）建立包含TBs加速应变速率效应的物理模型，成功预测流动软化行为；3）阐明TBs中位错密度的振荡特性与变形不稳定性相关。该模型为优化钛合金热加工工艺提供了重要理论工具，未来研究可进一步细化DBs内部微观结构的表征，以提升模型预测精度。这项工作不仅对钛合金加工具有指导意义，其建模思路也可推广至其他具有类似变形机制的合金体系。