非均匀纤维状微观结构对钛合金断裂与增韧机制的影响

《Materials Science and Engineering: A》：Effect of a heterogeneous fiber-like microstructure on fracture and toughening mechanisms of a titanium alloy

　　### 摘要在钛合金中同时实现高强度和高断裂韧性仍然是长期以来的挑战，因为强度提升通常会伴随断裂抗力的恶化。本研究通过粉末冶金和热挤压工艺，在Ti-W合金中开发出一种异质纤维状微观组织，该组织由嵌入在再结晶等轴晶粒中的细长纤维状晶粒构成。该异质合金展现出卓越的力学性能组合，包括1384 MPa的屈服强度、1526 MPa的极限拉伸强度、9.87%的总延伸率，以及增强的断裂抗力，其KQ值为65.1 MPa·m^1/2（约为均匀组织合金的两倍）。这种断裂抗力的提升得益于异质纤维状微观组织所诱导的本征和外在增韧机制的协同激活。在本征方面，异质微观组织促进了应变分配、连续的晶体学滑移协调以及应力诱导的β→α''马氏体相变，从而提高了塑性变形能力和能量耗散。在外在方面，细长的纤维状晶粒有助于裂纹偏转、裂纹桥接和二次裂纹形成，有效屏蔽裂纹尖端，降低有效裂纹驱动力，并增加裂纹扩展所需的断裂能。这些发现为开发具有优异断裂抗力的高强钛合金提供了一种有效的微观组织设计策略。### 引言钛（Ti）及其合金因其高比强度、优异的耐腐蚀性和良好的韧性而被广泛应用于航空航天、海洋工程和汽车领域[1]、[2]。作为关键承力结构材料，钛合金经常承受包含冲击、疲劳和类似裂纹缺陷的复杂服役条件，使得断裂抗力与强度同样重要[3]。然而，传统的强化策略，如固溶强化、沉淀强化和晶粒细化，通常以增加断裂韧性为代价来提高强度，导致了长期存在的强度-韧性权衡[4]、[5]。因此，开发兼具超高强度和断裂韧性的钛合金仍然是结构材料设计中的一项重要挑战[6]。在各种微观组织设计策略中，异质结构作为一种通过在金属材料中引入微观组织异质性来克服强度-韧性权衡的有效方法应运而生[7]、[8]。包括梯度结构、双峰晶粒结构、调谐结构和层片状微观组织在内的众多异质结构已被证明可以通过异变形诱导（HDI）强化和硬化来提高力学性能[9]。近年来，异质纤维状结构引起了越来越多的关注，因为纤维状晶粒/相形貌在变形过程中能够实现连续的载荷传递和长程应变重新分配[10]。与传统的异质结构相比，纤维状区域能够有效协调相邻区域之间的变形，缓解应变局部化，并可能通过微观组织界面修改裂纹扩展路径[11]、[12]。在金属材料中，纤维状微观组织在协同提高强度和塑性方面起着重要作用，这表明其在实现优异断裂抗力方面具有相当大的潜力[13]、[14]。然而，目前的研究主要集中在强化机制和变形行为上，而纤维状微观组织对断裂抗力的影响很少被研究。一般来说，断裂行为涉及高度局部化的应力和应变场，这些场集中在裂纹尖端前方，塑性变形、晶体学滑移、相变和裂纹扩展在多个长度尺度上同时演化[15]。断裂韧性由本征和外在增韧机制的共同贡献决定[16]。本征增韧与裂纹尖端前方增强的塑性变形有关，它扩大了裂纹尖端塑性区并耗散断裂能，而外在增韧主要通过裂纹偏转、裂纹桥接和裂纹分叉等机制，在裂纹尖端后方降低有效裂纹驱动力[17]、[18]。尽管异质微观结构已被广泛证明可以改善力学性能，但异质结构、晶体学变形行为和断裂抗力之间的潜在关系仍然是一个重要的研究课题。特别是，纤维状异质微观组织如何影响钛合金中的裂纹扩展，并协调本征和外在增韧机制，需要进一步研究。因此，建立异质变形、晶体学演化和裂纹扩展之间的关系对于理解纤维异质结构钛合金中断裂抗力的起源至关重要。最近的研究表明，调节合金元素的异质分布是构建异质纤维状微观组织的有效策略[19]、[20]。由此产生的成分异质性在相稳定性和变形行为上造成了局部差异，为后续热机械处理中异质微观组织的发展奠定了基础。受这一概念的启发，本研究选择W作为合金元素，因为其在Ti中的扩散缓慢，为建立扩散控制的成分异质性提供了有利条件[21]、[22]。W的相对高密度并不排除其作为Ti基材料中合金元素的使用。在W含量为20 wt.%时，所得合金的密度约为5.4 g/cm3，远低于传统钢和Ni基高温合金的密度。这种适中的密度，加上W的强强化作用，提供了比强度和承载能力的有利组合，使得含W钛合金在苛刻的结构应用中极具吸引力。因此，含W钛合金为研究异质纤维微观组织与断裂抗力之间的关系提供了理想的模型体系。在本研究中，我们通过粉末冶金和热机械处理调节W的扩散，开发了一种纤维异质化策略，从而在Ti-W合金中形成稳定的纤维状晶粒结构。通过结合断裂测试和详细的微观组织表征，系统地研究了异质纤维结构对断裂抗力的影响，并阐明了潜在的增韧机制。本工作为开发具有增强断裂抗力的高强钛合金提供了一种有效的微观组织设计策略。### 分节内容#### 材料与方法实验流程如图1所示。采用工业纯Ti粉（< 45 μm）和纯W粉（2-10 μm）作为原材料。粉末按照Ti:W = 4:1的质量比，使用加速度为50 m/s2的超声波振动混合器混合360 s，确保W颗粒在Ti粉混合物中分布均匀。混合后的粉末随后在180 MPa压力下通过冷等静压（CIP）在2的条件下进行固化。#### TiW-HS和TiW-HO合金的初始微观组织图2展示了TiW-HS和TiW-HO合金的相组成和微观组织特征。如图2(a)所示，两种合金主要由β-Ti基体组成，并含有少量的α相，表明退火处理并未改变相组成。未检测到与元素W对应的衍射峰，这表明W已完全溶解在Ti基体中。TiW-HS合金的低倍图像（图2(b)）显示出一个明显的……#### 异质纤维状微观组织的形成异质纤维状微观组织主要受粉末冶金加工过程中W的有限扩散以及随后热挤压过程中的微观组织演化的控制。如图1所示，混合的Ti/W粉末首先在1350 °C下进行真空烧结，在此期间，W原子逐渐扩散到周围的Ti基体中。然而，由于W在β-Ti中的扩散系数固有地较低，无法在……时间内实现完全的化学均匀化。#### 结论(1) 通过异质W扩散随后进行热挤压，成功制备了一种由细长纤维状晶粒和再结晶等轴晶粒组成的异质纤维状微观组织，为力学性能优化提供了稳健的异质结构。(2) TiW-HS合金实现了卓越的力学性能组合，包括1384 MPa的超高屈服强度、9.87%的合理总延伸率和增强的断裂抗力。#### CRediT作者贡献声明**Jixun Zhang**：软件、资源、研究。**Yuankui Cao**：方法论、资金获取。**Na Li**：初稿撰写、研究、形式分析。**Li Wang**：项目管理、资金获取。**Tian Xiong**：方法论、研究。**Yong Liu**：审阅与编辑、方法论、研究。**Bin Liu**：项目管理、资金获取。**Jinyi Duan**：方法论、研究。#### 利益冲突声明? 作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响到本文所报告的工作。#### 致谢本工作得到湖南省科技创新计划[编号：2024RC1009和2024RC3001]和湖南省自然科学基金[编号：2026JJ50038]的资助。本研究使用了美国能源部（DOE）科学办公室用户设施先进光子源的资源，该设施由阿贡国家实验室代表DOE科学办公室运营，合同编号为DE-AC0206CH11357。Na Li|Yuankui Cao|Jixun Zhang|Jinyi Duan|Tian Xiong|Li Wang|Bin Liu|Yong Liu