《Journal of Alloys and Compounds》：β Texture Design for Multiple Phase Transformations and Heterostructure Control in TC25 Alloy
编辑推荐：
钛合金β织构设计与异质结构调控机制研究。通过设计<100>β+<111>β复合织构，在TC25合金中成功构建晶内马氏体与晶界α柱状晶异质结构，其形成源于复合织构诱导的多相变协同机制。实验表明，复合织构促进晶界扩散相变，形成均匀α柱状结构，同时晶内发生马氏体相变，二者协同实现强度与延展性的优化平衡。
作者：王照天 | 张博华 | 元五华 | 张鹏 | 邓浩 | 李松林 | 赵子博
湖南大学材料科学与工程学院，长沙 410082，中国
摘要
β织构设计为制备异质结构钛合金提供了一种新策略。本研究通过设计一种结合了<100>β+<111>β织构，在TC25合金中成功构建了异质结构。该异质结构由晶内马氏体结构和晶界簇结构组成。这种独特的异质结构是由于复合织构诱导的多重相变所形成的。在淬火过程中，预期的马氏体转变发生在晶粒内部，而意外的扩散转变则发生在晶界处。后者是由于<100>β+<111>β织构中的<112>β平行平面上的高扩散速率所促进的。这种复合织构同时增强了扩散转变过程中的变体选择，从而促进了α簇的形成。得益于这种簇结构，这种高强度异质合金可以通过滑移-孪生耦合机制提高延展性。
引言
作为重要的轻质结构材料，钛合金因其高比强度和优异的耐腐蚀性而在航空航天、海洋和化工行业中得到广泛应用[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。提高钛合金的综合力学性能是工程和学术研究中的关键目标，尤其是在实现最佳的强度-延展性平衡方面[6]、[7]、[8]。然而，强度和延展性之间总是存在固有的权衡，这一直是扩展钛合金应用的主要挑战。基于加工、微观结构和性能之间相互关系的合理微观结构设计是克服这一挑战的关键方法。
钛合金的最终微观结构在很大程度上取决于高温β相及其在冷却过程中的后续相变，特别是对于接近α和α+β合金而言。这种现象被认为是重要的微观结构继承效应[9]、[10]。在β→α相变过程中，高温β相通过Burgers取向关系({110}β//{0001}α、<111>β//<11-20>α)直接决定了α相的形态和晶体取向[11]、[12]、[13]。Liu等人使用“取向追踪”方法系统研究了β相织构对α层片空间取向的影响[14]、[15]。结果表明，理想的<100>β和<111>β织构分别促进了α层片的垂直和三角形配置的形成。此外，β织构还可以通过影响晶界特性和变体选择行为来显著影响微观结构。例如，Zhao等人报告称，在快速冷却的Ti60合金中，强烈的<110>β织构通过增加相邻β晶粒共享相同<110>β轴的概率，从而促进了大尺寸α簇的形成，增强了变体选择[16]。所有这些研究都证实，β织构的设计可以为调节β→α相变过程中的微观结构演变提供有效途径，最终影响钛合金的力学性能。
钛合金的β→α相变主要通过马氏体转变或扩散控制的成核和生长过程发生，这取决于冷却速率和合金成分[17]、[18]。这两种过程发生在不同的冷却条件下，因此很少同时发生。通过这两种机制形成的α相在形态和尺寸上存在显著差异。前者通常产生纳米级的针状马氏体，而后者产生微米级甚至毫米级的α簇[19]、[20]、[21]。这种显著的尺寸差异对于设计由不同尺寸和结构组成的异质结构非常有利。异质结构设计可以利用尺寸和性能的空间变化来激活异质变形诱导（HDI）强化，从而实现强度和延展性之间的最佳平衡[22]、[23]、[24]、[25]。
因此，我们提出了一种新的异质结构设计策略：通过调整β织构来同时诱导冷却过程中的多重相变并构建异质结构。在本研究中，通过设计一种结合了<100>β+<111>β的织构，在TC25合金中成功构建了异质结构。系统分析表明，这种复合织构在单一冷却条件下通过诱导不同的转变路径，在晶粒内部和晶界处产生了多样的微观结构。
材料与方法
本研究中使用的原材料是TC25合金棒材，其在α+β相区锻造，成分（按重量百分比计）为：6.5Al、2.5Mo、2.5Zr、1.5Sn、1W、0.2Si，其余为Ti。使用金相方法测得的β转变温度约为1020°C。基于我们之前发表的工作[26]，我们通过在单相区进行高速热压缩来制备特定的β织构。具体参数如下：温度为1035°C，变形量为60%，应变速率为1s-1
异质结构设计
图1a显示了TC25合金经过高速热压缩和淬火后的微观结构。合金中成功引入了一种独特的异质结构：针状相随机分布在晶粒内部，而均匀的簇结构沿晶界排列。为简洁起见，本文将这种合金称为HS-TC25合金。这种异质结构的形成归因于热压缩过程中形成的特定β织构及其促进作用
结论
通过设计<100>β+<111>β复合织构，本研究成功制备了一种具有晶内马氏体结构和晶界簇结构的异质TC25合金。主要发现和结论如下：
(1) 异质结构的形成主要归因于变体选择和多重相变，尤其是后者。在淬火过程中，<100>β/<111>β界面发生了意外的扩散转变
作者贡献声明
赵子博：监督、方法论、概念化。
张鹏：可视化、软件、数据分析。
元五华：写作——审稿与编辑、监督、方法论、概念化。
李松林：软件、数据管理。
邓浩：验证、形式分析。
张博华：验证、方法论、形式分析、数据管理。
王照天：写作——审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论、数据分析、调查、形式分析。
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。
