《Materials Science and Engineering: A》：Methods and Mechanisms of Strengthening and Toughening for Ti-6Al-4V Titanium Alloy Seamless Tubes via On-line Thermomechanical Treatment
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Jia Huo|Entao Dong|Ying Han|Wei Yu北京科技大学工程技术研究院，北京，100083，中国摘要在具有层状微观结构的钛合金管中实现强度与韧性的协同作用仍然是一个重大挑战。本研究提出了一种在α+β区域进行的短加工路线热机械策略，包括接近转变温度的变形、9
Jia Huo|Entao Dong|Ying Han|Wei Yu
北京科技大学工程技术研究院，北京，100083，中国
摘要
在具有层状微观结构的钛合金管中实现强度与韧性的协同作用仍然是一个重大挑战。本研究提出了一种在α+β区域进行的短加工路线热机械策略，包括接近转变温度的变形、950°C下的在线固溶处理以及随后的尺寸减小。该策略显著增强了α层片的球化程度，球化分数提高到了65.66%，并通过调节应变能释放模式实现了微观结构的重构，形成了由交错排列的短α层片和细化的等轴α晶粒组成的复合微观结构。处理后，材料的抗拉强度达到1024 MPa，冲击吸收能量为58.6 J，相比传统的长层状结构提高了25.5%。多尺度分析表明，在线固溶处理产生了均匀且缺陷较少的初始微观结构，而随后的尺寸减小变形引入了高密度的均匀分布的位错。这些位错促进了亚晶界的形成及其向高角度晶界的转变，从而加速了层片的分割和界面迁移。升高的亚转变温度进一步增强了原子扩散，促进了再结晶核的形成，使得球化更加完全，晶粒更加细化。细化的晶粒、增加的界面密度和均匀分布的位错结构共同增强了材料的强度，而短而宽的层片显著增加了裂纹路径的曲折度，最终实现了强度与韧性之间的优异平衡。
引言
在钛合金管的制造过程中，实现高强度与高韧性之间的优越平衡仍然是一个关键问题。与钛合金板和棒的加工相比，管材加工的特点是变形温度窗口较窄且变形抗力较高，这导致了复杂的加工路线、延长的生产周期、增加的加工难度以及产量的降低[1]。目前，钛合金无缝管主要通过热挤压、冷轧和热穿孔轧制工艺生产[2]。其中，热穿孔轧制工艺由于其相对较低的设备投资和能够生产长长度管材的能力而被广泛采用[2]。然而，通过这种工艺生产出的无缝钛管通常在壁厚和纵向方向上表现出明显的微观结构和力学性能不均匀性[3]，难以满足强度与韧性协同提升的要求[4]、[5]。
先前的研究表明，高强度和高韧性钛合金的力学性能受到α相的形态、尺寸和空间分布的强烈影响[6]。特别是，层状α的球化已被广泛认为是提高塑性和断裂韧性、从而实现理想强度-韧性平衡的有效方法。大多数现有研究通过在狭窄的加工窗口内施加大的塑性应变来促进动态再结晶和微观结构分解[7]、[8]，通常结合后续的热处理来进一步增强层状α的球化和力学性能[9]。然而，这种传统的球化策略通常依赖于复杂的加工路线、严格的参数控制和高能耗[10]。这些限制在成本、效率和钛合金管连续生产过程的稳定性方面带来了重大挑战，并阻碍了它们直接集成到无缝管轧制生产线中。
目前的工业实践仍然主要依赖于多道次离线热处理来控制钛合金的微观结构和性能[11]、[12]，主要包括退火[13]、[14]和固溶时效[15]。然而，这些工艺与较高的生产成本[16]、[17]、严重的氧化以及长管材微观结构均匀性控制不佳有关[18]。相比之下，热轧无缝钢管行业采用了在线正火工艺[19]、[20]，这些工艺利用了残余轧制热量，具有工艺流程短、能耗低和效率高等显著优势[21]。然而，在钛合金管加工中，当前的在线正火或固溶处理往往无法有效控制位错等晶体缺陷，导致强度提升有限，整体性能不如传统的离线工艺[22]、[23]。在热处理之前或之后引入受控的预变形——例如低温预拉伸变形[24]、预变形后进行时效[25]或应力耦合时效处理[26]——已被证明可以显著增加位错密度并促进高密度α相的析出。然而，这些方法需要额外的预变形步骤或复杂的耦合路线，限制了它们与连续在线生产长长度无缝管的兼容性。因此，如何有效地将位错调控机制与在线热处理结合，在短加工路线内实现均匀的位错引入和亚晶粒结构演变，以加速层状α的球化并实现强度与韧性的协同提升，仍然是一个值得进一步研究的问题。
本研究提出了一种适用于TC4无缝管的新在线热处理路线，该路线结合了在相变温度附近的短时间固溶处理和随后的两相区域的小变形。与依赖大塑性应变或长时间热处理的传统球化策略不同，所提出的方法利用了短时间固溶处理和轻微变形的耦合效应，通过位错重分布和亚晶粒形成有效促进了层状α的球化和晶粒细化。结果获得了由交错排列的短α层片和等轴α晶粒组成的复合微观结构。这种微观结构表现出1024 MPa的抗拉强度和58.6 J的冲击能量，相比长层状结构提高了25.5%。裂纹扩展主要通过“穿越α层片”的模式进行，实现了强度与韧性的协同提升。此外，所提出的加工路线具有较短的工艺流程，并且与工业无缝管轧制具有良好的兼容性，为高性能钛合金无缝管的短流程制造提供了一种有前景的策略。
章节摘录
材料与热处理工艺
本研究使用的材料是锻造的两相TC4钛合金。TC4钛合金的化学成分通过电感耦合等离子体光学发射光谱（ICP-OES）测定金属元素（Al、V、Fe），而O、N和C的含量则使用LECO氧/氮分析仪和碳-硫分析仪测量。化学成分总结在表1中。合金的初始微观结构（图1a）主要由
微观结构分析
图3展示了四种加工路线下的微观形态（a-d）及相应的统计结果（e, f）。P1条件下的微观结构主要由弯曲和直的长层状α片组成，这些层片主要沿轧制方向排列，并保持了完整的α晶簇。等轴α的平均尺寸为1.55 μm，层片厚度为0.87 μm。尺寸减小变形主要导致了层片的弯曲和局部破碎，从而
α层片的微观结构演变和球化机制
为了阐明不同轧制工艺下α层片球化的机制，分析了位错分布、再结晶行为和晶界演变。KAM图和几何必要位错（GND）密度结果（图9）显示了不同加工路线中α相的应变能储存状态存在显著差异。在P1条件下，位错主要集中在层片边界附近，而晶内
结论
本研究提出了一种短流程在线热机械处理策略，能够在不引入大塑性变形的情况下实现TC4管的强度-韧性协同。通过系统比较不同加工条件下的位错演变、亚晶粒形成和再结晶行为，阐明了应变能释放模式在控制α层片球化路径和微观结构重构机制中的决定性作用。
CRediT作者贡献声明
Jia Huo：撰写——原始草稿、可视化、验证、正式分析、数据整理。Ying Han：监督、研究。Entao Dong：方法论、研究。Wei Yu：监督、项目管理、概念化
