通过激光熔覆制备FeCrNiTi0.3Al0.3高熵合金涂层，并对其微观结构、力学性能以及耐磨性和抗空化侵蚀性能进行研究

《Materials Today Communications》：Study on microstructure, mechanical properties, wear and cavitation erosion resistance of FeCrNiTi0.3Al0.3 high entropy alloy coatings by laser cladding

本研究通过原位SEM/EBSD技术，揭示Ti-55531合金中不同α/α colony边界类型对滑移系统激活的影响规律。结果表明基底滑移（45.8%）主导，其激活受晶体学取向、Schmid因子对齐及伯格斯取向关系调控，而金字塔滑移（19.5%）虽CRSS较高仍被激活。高几何相容性边界（如Type 1）促进基底-基底滑移转移，而低相容性边界（Type 3-5）因滑移对齐度差导致塑性贡献有限。

　　

作者：Xin Wen, Linfeng Shi, Renlong Xin, Chaowen Huang, Shewei Xin

联合国际轻合金实验室（隶属于中国教育部），重庆大学材料科学与工程学院，中国重庆

摘要

具有层状微观结构的亚稳态β钛合金在航空航天应用中至关重要，然而其有限的延展性要求我们更深入地了解其变形机制。本研究利用原位扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）技术，探讨了Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr（Ti-55531）合金在层状微观结构下的滑移传递行为。结果表明，在屈服点附近，基面（45.8%）、棱柱面（34.7%）和锥面滑移系统被激活；尽管锥面滑移的临界解析剪切应力（CRSS）较高，但其作用仍然显著。滑移系统的选择受晶体取向、Schmid因子（SF）对齐以及α相和β相之间的Burgers取向关系（BOR）的影响，后者促进了基面滑移。在[0001]/10.53°（类型1）的晶界处，由于几何兼容性较高（m′），基面-基面滑移传递占主导；而在[11$\bar{2}$0]/60°（类型2）的晶界处，基面-棱柱面和基面-锥面滑移传递更常见，这受到CRSS差异和滑移对齐的影响。理论分析进一步表明，[34$\stackrel{?}{7}$1]/60.83°、[55$\stackrel{?}{10}$3]/63.26°和[34$\stackrel{?}{7}0$]/90°的类型3-5晶界具有较高的兼容性（>0.8），但由于微观结构中滑移对齐较差且频率较低，对塑性的贡献较小。这些发现强调了晶界错位和几何兼容性在介导滑移传递中的作用，为通过调整层状微观结构来提高延展性提供了实用见解。本研究通过将界面特性与变形行为联系起来，推动了承载型航空航天用钛合金的设计。

引言

亚稳态β钛合金因其高比强度、优异的淬透性和优异的抗裂性，在航空航天和海洋应用中至关重要[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。要实现这些合金的最佳机械性能，需要通过热机械加工和热处理精确控制其微观结构[6]、[7]。在各种微观结构中，层状结构以其适中的强度、较高的抗疲劳裂纹扩展能力和良好的断裂韧性而著称，尽管通常会牺牲一定的延展性[8]、[9]、[10]。为了提高延展性和减少裂纹的产生，对其变形行为有深入的了解至关重要[11]、[12]。 在亚稳态β钛合金的层状微观结构中，塑性变形主要由位错滑移来适应，由于薄层片的大小限制，变形孪生现象较少见[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。α相（六方密排）中的滑移主要发生在-a型滑移系统上，包括基面、棱柱面和锥面滑移，这些系统具有共同的Burgers矢量，提供了十二种潜在的滑移方式。这些系统的激活过程较为复杂；虽然棱柱面滑移通常被认为占主导地位，因为其CRSS较低，但对Ti-6Al-4V等合金的研究表明，晶体取向和晶粒形态（例如球形与层状）可以改变基面滑移的主导地位[19]、[20]。这种复杂性突显了在特定微观结构背景下研究滑移激活的必要性。

在这些多晶材料中，滑移在微观界面之间的传递是一个关键方面，因为这一过程直接影响应变适应、裂纹产生和整体损伤容忍度。以往的研究主要集中在α/β相界面的滑移传递上，这些界面受Burgers取向关系（BOR）的控制，该关系促进了滑移的传递并影响滑移系统的激活[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。然而，关于层状微观结构中α/α晶界处的滑移传递，目前仍存在较大的知识空白。尽管已经识别出相邻α晶界之间的显著错位[32]，但这些错位对滑移系统对齐和传递模式的具体影响仍不甚清楚，也未进行系统的关联研究。此外，大多数基础研究都是针对接近α或α+β合金（如Ti-6Al-4V）进行的[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]，而对亚稳态β钛合金的系统研究严重不足。这是一个重要的遗漏，因为这些更高强度、更复杂的合金的变形行为可能存在显著差异。 本研究旨在通过研究具有层状微观结构的亚稳态β钛合金Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr（Ti-55531）中的滑移传递来填补这些研究空白。具体而言，我们重点探讨α/α晶界类型对滑移传递模式的影响，并解释该合金中特定滑移系统的频繁激活现象。通过提供系统性的统计分析，将界面特性与滑移行为联系起来，本研究旨在建立对设计高性能亚稳态β钛合金耐损伤微观结构至关重要的基础理解。

实验细节和计算方法

本研究使用的材料是具有双模微观结构的Ti-55531合金。为了获得所需的层状微观结构，进行了一系列热处理。由于β转变温度约为830 ± 5 °C，从原始材料切割出的板材首先在900 °C下进行固溶处理60分钟以形成完全的β微观结构，然后在670 °C下退火900分钟，最后空气冷却至室温。选择670 °C作为退火温度是为了

特征微观结构

如图1a所示，经过热处理的Ti-55531合金表现出典型的层状微观结构，其中α层片平行地嵌入β基体中。图中，α相呈现深色，而β相呈现浅色。图1b和1c分别是相应的极图（IPF）和相分布图，证实了平行α层片具有几乎相同的取向，形成了一个晶粒簇。所有α层片都遵循Burgers取向关系（BOR）

结论

本研究利用原位SEM/EBSD技术系统地研究了层状结构Ti-55531合金中晶界处的滑移活性和滑移传递行为。主要发现如下： 在早期变形阶段，基面滑移（45.8%）、棱柱面滑移（34.7%）和锥面滑移（19.5%）被激活，这表明尽管锥面滑移的CRSS较高，但其作用仍然关键。这表明除了CRSS之外，还有其他因素（如应力）也在起作用

作者贡献声明

Shewei Xin：撰写、审稿与编辑、验证。 Renlong Xin：撰写、审稿与编辑、监督、方法论设计、资金获取、概念构思。 Chaowen Huang：撰写、审稿与编辑、验证。 Xin Wen：撰写初稿、实验研究、数据分析、数据管理。 Linfeng Shi：实验研究、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本项目得到了中国国家自然科学基金（项目编号52371004和52071040）的财政支持。