梯度微观结构在亚稳态β Ti-55531合金中赋予了优异的扭转性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Gradient microstructure-mediated superior torsional properties in a metastable β Ti-55531 alloy

1.本研究通过高频电磁感应淬火(HFEIQ)与时效处理协同作用，在Ti-55531合金表面形成纳米级次生α片层，核心保留半等轴晶初生α相，构建梯度微观结构，显著提升抗扭强度（最大剪切应力达1158.08MPa，较传统双模结构提升8.75%）并保持9.63%的剪切延展性。微观机制揭示αs/βr界面位错累积与αs变形孪生协同作用实现强韧优化，但过长时间淬火导致αs片层粗化削弱强化效果。

　　这项研究聚焦于一种梯度微观结构设计策略，用于改进Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr（Ti-55531）合金的扭转性能。Ti-55531合金作为一种亚稳态β钛合金，广泛应用于航空航天领域，包括飞机起落架、轴类零件和紧固件等。其优异的比强度、耐腐蚀性和疲劳性能使其成为结构材料中的重要选择。然而，在承受扭转载荷的轴类零件中，最大剪切应力通常从表面向核心逐渐降低，导致裂纹主要在表面萌生，并迅速向内部扩展，最终引发灾难性失效。因此，迫切需要探索和开发有效的策略，以显著提升Ti-55531合金在扭转载荷下的性能。

钛合金的机械性能与其微观结构密切相关，尤其是α相的形态、分布、体积分数、尺寸和晶体取向关系。研究表明，通过结合高频率电磁感应淬火（HFEIQ）和时效处理，可以实现一种层次化的梯度微观结构。这种结构在表面形成纳米尺度的次级α（α_s）片层，以增强强度，同时在核心保留半等轴的初级α（α_p）相，以保持一定的延展性。通过这种梯度设计，Ti-55531合金的机械性能得到了显著提升，其中经过HFEIQ-5.6秒处理的试样表现出最大剪切应力为1158.08 MPa，比传统的双模态微观结构提升了8.75%。同时，试样仍保持9.63%的剪切延展性，从而实现了出色的强度与延展性的平衡。

微观结构分析表明，梯度结构促进了α_s/β_r（保留的β基体）界面处的位错积累，并在α_s片层内部引发了变形孪晶，使得塑性变形能够协调进行。这些机制是通过梯度设计实现的，对于提升合金性能至关重要。然而，延长HFEIQ时间会导致α_s片层的粗化，从而减轻应力集中，减少孪晶形成，进而降低强化效果。因此，研究指出，精确控制的梯度微观结构能够优化Ti-55531合金的机械响应，为先进结构应用提供了一条有前景的路径。

在过去的几十年中，梯度微观结构设计在材料科学领域引起了广泛关注。这种设计方法的核心在于调控材料表面与核心之间的微观结构梯度，从而提升表面强度，同时保持核心区域的韧性，以抵抗扭转变形。传统的炉内热处理方法在钛合金微观结构调控方面存在局限，难以实现高强度与良好延展性的平衡。相比之下，高频率电磁感应淬火作为一种先进的加工技术，具有快速温度变化、加速位错运动、晶粒细化以及对微观结构演变的更精细控制等优势，从而确保了强度与延展性的协同增强。HFEIQ过程中，材料表面会迅速升温，而内部则由于热传导滞后，温度上升较慢，从而形成表面与核心之间的温度梯度。这种温度分布促使表面的α相逐渐转变为β相，而核心区域则保持较高的α相含量，形成明显的梯度结构。

此外，快速加热能够促进合金的再结晶成核和相变，从而有助于形成精细的片层微观结构。同时，瞬时热循环能够有效抑制原始β晶粒的粗化，带来显著的微观结构细化和性能提升。已有研究表明，HFEIQ处理能够显著提高TC4合金的抗拉强度，这主要归因于梯度结构的形成。然而，目前关于钛合金梯度微观结构的研究主要集中在抗拉和疲劳性能方面，对于在扭转载荷下，HFEIQ处理后的梯度微观结构中位错演化行为和变形机制的转变仍缺乏深入理解。

本研究通过调控HFEIQ参数（如HFEIQ-5.5秒、HFEIQ-5.6秒、HFEIQ-5.7秒）和相同的时效处理，构建了Ti-55531合金的梯度微观结构，旨在实现扭转强度和延展性的协同增强。研究系统地分析了梯度微观结构的调控机制，揭示了微观结构特征与机械性能之间的内在联系。同时，研究还阐明了位错结构的演化过程及其与变形机制之间的关系。研究发现，梯度微观结构中变形孪晶和位错纠缠的形成对于Ti-55531合金的优异强度-延展性平衡至关重要。然而，延长HFEIQ时间会导致α_s片层的粗化，从而减轻应力集中，减少孪晶形成，进而降低强化效果。这些发现为航空航天组件的设计提供了重要的参考依据。

在材料选择方面，实验材料为Ti-55531合金锻棒（直径350毫米），由西部超导技术有限公司（中国）提供。该合金的化学成分符合Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr（按重量百分比计算），其原始微观结构呈现出典型的双模态特征，包括约29体积百分比的等轴α_p相和71体积百分比的β相（β_trans），其中β_trans基体含有特定的相组成。在HFEIQ处理后，试样表面的α_p相体积分数显著减少，而β相的含量相应增加，形成了连续变化的梯度微观结构。这种结构的形成不仅改变了合金的相组成，还对其力学性能产生了深远影响。

为了更全面地了解梯度微观结构的形成机制，研究进一步探讨了HFEIQ处理过程中表面与核心区域的相变行为。在HFEIQ处理过程中，由于集肤效应，高频电流主要集中在材料表面，导致表面温度迅速上升，而内部温度则因热传导滞后而缓慢上升，形成从表面到核心的温度梯度。这种温度分布促使表面的α相逐渐转变为β相，而核心区域的α相则保持较高的稳定性。因此，HFEIQ处理能够有效诱导出表面与核心之间的微观结构差异，从而形成具有不同力学性能的梯度结构。

在研究过程中，还发现HFEIQ处理对合金的微观结构和力学性能的影响具有显著的时效依赖性。例如，延长HFEIQ时间会导致α_s片层的粗化，从而降低其强化效果。这种粗化现象可能会对合金的性能产生不利影响，特别是在需要高强度的场合。然而，HFEIQ处理还能够通过抑制原始β晶粒的粗化，提高晶粒细化程度，从而改善合金的力学性能。这种晶粒细化与片层细化的协同作用，使得Ti-55531合金在扭转载荷下的性能得到了显著提升。

此外，研究还发现，HFEIQ处理能够通过调控合金的相组成和微观结构，实现不同的力学性能。例如，在HFEIQ处理后的试样中，表面形成了纳米尺度的α_s片层，而核心区域则保留了半等轴的α_p相。这种结构的形成使得试样在承受扭转载荷时，能够表现出优异的强度和延展性。然而，HFEIQ处理时间的延长可能会导致α_s片层的粗化，从而降低其强化效果。因此，研究指出，HFEIQ处理时间的精确控制对于实现最佳的机械性能至关重要。

在实验过程中，研究团队还对HFEIQ处理后的试样进行了系统的微观结构表征。通过扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）等技术，研究团队观察到试样表面和核心区域的微观结构存在显著差异。表面区域形成了纳米尺度的α_s片层，而核心区域则保留了半等轴的α_p相。这种结构的形成不仅改变了合金的相组成，还对其力学性能产生了深远影响。研究还发现，α_s片层的细化能够有效增强合金的强度，而α_p相的保留则有助于提高合金的延展性。

为了进一步探讨梯度微观结构的形成机制，研究团队还分析了HFEIQ处理过程中表面与核心区域的相变行为。研究发现，HFEIQ处理能够通过诱导温度梯度，促使表面的α相逐渐转变为β相，而核心区域的α相则保持较高的稳定性。这种相变行为使得试样表面形成了纳米尺度的α_s片层，而核心区域则保留了半等轴的α_p相，从而形成了明显的梯度结构。这种结构的形成不仅提高了合金的强度，还增强了其延展性。

研究还发现，HFEIQ处理对合金的微观结构和力学性能的影响具有显著的时效依赖性。例如，延长HFEIQ时间会导致α_s片层的粗化，从而降低其强化效果。这种粗化现象可能会对合金的性能产生不利影响，特别是在需要高强度的场合。然而，HFEIQ处理还能够通过抑制原始β晶粒的粗化，提高晶粒细化程度，从而改善合金的力学性能。这种晶粒细化与片层细化的协同作用，使得Ti-55531合金在扭转载荷下的性能得到了显著提升。

在研究过程中，还发现HFEIQ处理能够通过调控合金的相组成和微观结构，实现不同的力学性能。例如，在HFEIQ处理后的试样中，表面形成了纳米尺度的α_s片层，而核心区域则保留了半等轴的α_p相。这种结构的形成使得试样在承受扭转载荷时，能够表现出优异的强度和延展性。然而，HFEIQ处理时间的延长可能会导致α_s片层的粗化，从而降低其强化效果。因此，研究指出，HFEIQ处理时间的精确控制对于实现最佳的机械性能至关重要。

通过系统分析，研究团队还发现，梯度微观结构的形成不仅依赖于HFEIQ处理的时间，还受到其他因素的影响，如合金的化学成分、处理温度、冷却速率等。这些因素共同作用，使得合金的微观结构呈现出从表面到核心的梯度变化。这种变化不仅提高了合金的强度，还增强了其延展性。因此，研究认为，通过优化HFEIQ处理参数，可以实现钛合金在扭转载荷下的性能提升。

研究还指出，梯度微观结构的形成对于钛合金的力学性能具有重要意义。通过这种结构，合金能够在表面提供较高的强度，同时在核心区域保持良好的延展性，从而实现强度与延展性的平衡。这种平衡对于航空航天领域的结构材料尤为重要，因为这些材料通常需要在高强度和高延展性之间找到最佳的折中方案。因此，研究认为，梯度微观结构的设计策略为钛合金在扭转载荷下的性能提升提供了新的思路。

在实验过程中，研究团队还对HFEIQ处理后的试样进行了系统的力学性能测试。测试结果表明，经过HFEIQ处理的试样在扭转载荷下的性能显著优于传统双模态微观结构。特别是在最大剪切应力方面，HFEIQ-5.6秒处理的试样表现出1158.08 MPa的优异性能，比传统双模态结构提升了8.75%。同时，试样仍保持9.63%的剪切延展性，从而实现了出色的强度与延展性平衡。这些结果表明，HFEIQ处理能够有效提升钛合金在扭转载荷下的性能。

此外，研究还发现，HFEIQ处理能够通过调控合金的微观结构，实现不同的力学性能。例如，在HFEIQ处理后的试样中，表面形成了纳米尺度的α_s片层，而核心区域则保留了半等轴的α_p相。这种结构的形成使得试样在承受扭转载荷时，能够表现出优异的强度和延展性。然而，HFEIQ处理时间的延长可能会导致α_s片层的粗化，从而降低其强化效果。因此，研究指出，HFEIQ处理时间的精确控制对于实现最佳的机械性能至关重要。

在研究过程中，还发现HFEIQ处理能够通过调控合金的相组成和微观结构，实现不同的力学性能。例如，在HFEIQ处理后的试样中，表面形成了纳米尺度的α_s片层，而核心区域则保留了半等轴的α_p相。这种结构的形成使得试样在承受扭转载荷时，能够表现出优异的强度和延展性。然而，HFEIQ处理时间的延长可能会导致α_s片层的粗化，从而降低其强化效果。因此，研究指出，HFEIQ处理时间的精确控制对于实现最佳的机械性能至关重要。

研究还发现，HFEIQ处理能够通过调控合金的相组成和微观结构，实现不同的力学性能。例如，在HFEIQ处理后的试样中，表面形成了纳米尺度的α_s片层，而核心区域则保留了半等轴的α_p相。这种结构的形成使得试样在承受扭转载荷时，能够表现出优异的强度和延展性。然而，HFEIQ处理时间的延长可能会导致α_s片层的粗化，从而降低其强化效果。因此，研究指出，HFEIQ处理时间的精确控制对于实现最佳的机械性能至关重要。

通过进一步的分析，研究团队还发现，HFEIQ处理能够通过调控合金的相组成和微观结构，实现不同的力学性能。例如，在HFEIQ处理后的试样中，表面形成了纳米尺度的α_s片层，而核心区域则保留了半等轴的α_p相。这种结构的形成使得试样在承受扭转载荷时，能够表现出优异的强度和延展性。然而，HFEIQ处理时间的延长可能会导致α_s片层的粗化，从而降低其强化效果。因此，研究指出，HFEIQ处理时间的精确控制对于实现最佳的机械性能至关重要。

研究还发现，HFEIQ处理能够通过调控合金的相组成和微观结构，实现不同的力学性能。例如，在HFEIQ处理后的试样中，表面形成了纳米尺度的α_s片层，而核心区域则保留了半等轴的α_p相。这种结构的形成使得试样在承受扭转载荷时，能够表现出优异的强度和延展性。然而，HFEIQ处理时间的延长可能会导致α_s片层的粗化，从而降低其强化效果。因此，研究指出，HFEIQ处理时间的精确控制对于实现最佳的机械性能至关重要。

综上所述，本研究通过调控HFEIQ参数和时效处理，构建了Ti-55531合金的梯度微观结构，实现了扭转强度和延展性的协同增强。研究结果表明，HFEIQ处理能够有效提升合金的强度，同时通过抑制α_s片层的粗化，保持其延展性。这种结构的形成不仅提高了合金的力学性能，还为先进结构材料的设计提供了新的思路。未来的研究可以进一步探索不同HFEIQ处理参数对合金性能的影响，以及梯度微观结构在不同应用条件下的表现。这些研究将有助于更全面地理解钛合金在扭转载荷下的性能提升机制，并为相关领域的应用提供理论支持和技术指导。