TC18钛合金在α+β相区域进行热变形过程中，动态再结晶的应变率响应与机制相关

《Journal of Alloys and Compounds》：Mechanism Dependent Strain Rate Response of Dynamic Recrystallization in TC18 Titanium Alloy during Hot Deformation in the α + β Region

　　

王凯耀|刘星刚|郭颖|松木和弘|杉尾健二郎|佐佐木健二郎|佐佐木健

日本广岛大学高等科学与工程学院，东广岛739 8527

摘要

应变率在控制近β型钛合金的热变形行为和动态再结晶（DRX）机制中起着关键作用。本研究通过单轴压缩（UC）对TC18钛合金在双相区域变形时的DRX应变率响应进行了研究，并在低名义应变下添加了剪切压缩（SC），以明确变形路径对不同DRX途径发展的影响。结果表明，DRX的应变率响应并不均匀，而是强烈依赖于活跃的恢复机制。在UC条件下，低应变率下以不连续动态再结晶（DDRX）伴随的晶界膨胀和迁移为主；而随着应变率和应变的增加，连续动态再结晶（CDRX）相关的晶内细分逐渐成为主导。特别是，在所有条件下，DRX的演变并未表现出简单的单调应变率依赖性，这表明DDRX相关的晶界迁移和CDRX相关的晶内细分之间存在过渡平衡。α相的演变以及α/β界面效应进一步促进了局部应变分配和β相DRX途径的选择。额外的SC进一步表明，在高应变率下，剪切主导的变形路径可以促进CDRX相关的晶内重组，说明β相DRX途径的选择受到应变率和变形路径的双重影响。

引言

应变率在钛合金的热变形中起着关键作用，它控制位错积累、储存能量、晶界移动性和动态恢复过程，从而影响微观结构的异质性[1]。对于TC18合金而言，这一效应尤为重要，因为热变形过程中建立的微观结构直接决定了后续加工后的最终微观结构和性能[2]、[3]。作为热变形过程中的主要再结晶过程之一，DRX通常通过DDRX和CDRX发生[4]、[5]、[6]。由于DDRX与晶界膨胀和项链状再结晶晶粒相关，而CDRX则通过渐进的晶内晶格旋转和亚晶粒演变进行[7]，因此这两种途径对应变率和局部变形条件的变化可能会有不同的响应[8]。

先前的研究表明，钛合金中的DRX行为和机制强烈依赖于变形条件[9]、[10]、[11]。在近β型钛合金中，Shi等人[12]报告称，Ti 55511合金的DRX比例、再结晶晶粒尺寸和主导机制会随着加工参数的不同而显著变化。Liang等人[13]进一步指出，在高应变率条件下，局部高应变区域促进了新晶粒的连续形核和生长，从而增强了CDRX相关的演变。在α+β区域也观察到了类似的行为，Li等人[14]发现变形过程中持续存在DDRX，而CDRX仅在进一步应变积累后才会被激活。然而，现有研究主要集中在机制识别、条件依赖的转变或DRX对流动软化的贡献上，而对不同DRX途径的应变率依赖性响应机制仍不够明确。

除了变形参数外，α相的演变和α/β界面效应也可能影响α+β区域热变形过程中的β相DRX。先前的研究表明，α相的球化、重分布以及α/β相相互作用与双相钛合金中的β相DRX密切相关[15]、[16]。这些过程可以改变局部变形兼容性和应变分配，而α/β界面可能为局部应变集中和DRX形核提供优先区域[17]。

变形模式是影响DRX行为的另一个重要因素[18]、[19]、[20]、[21]。先前的剪切压缩研究表明，引入剪切成分会加剧局部应变异质性，促进晶粒旋转，并加速微观结构的演变，从而比传统的单轴压缩更有利于动态恢复（DRV）和DRX[22]。Yin等人[23]进一步指出，在β相区域变形的TC18合金中，剪切变形促进了晶粒旋转和CDRX的发展，从而改变了DRX的转变行为。然而，关于TC18合金在α+β双相区域中的剪切变形研究仍然有限。因此，本研究引入了SC作为与UC对比的变形路径，以便在同一合金系统和变形温度下考察剪切主导变形对DRX途径选择的影响。在这种情况下，SC提供了额外的变形模式条件，结合应变率和局部界面效应，有助于理解TC18合金中β相DRX的途径依赖性演变。

在本研究中，系统地研究了TC18合金在α+β双相区域变形时的DRX应变率依赖性响应机制。首先使用UC来确定DRX机制随应变率和应变的演变情况，然后在低名义应变下引入了剪切压缩（SC）作为与UC对比的变形路径，以考察剪切主导变形对DRX相关微观结构发展的影响。特别关注了DDRX相关的晶界迁移和CDRX相关的晶内细分的相对贡献，以及α相演变、α/β界面效应和变形模式在调节主导DRX途径中的作用。这项工作有望加深对不同应变率和变形条件下近β型钛合金中DRX演变机制的理解，并为热变形过程中的微观结构控制提供指导。

章节摘录

实验程序

近β型钛合金TC18（Ti–5.16Al–4.92Mo–4.96V–1.10Cr–0.98Fe，名义成分）通过真空电弧重熔制备。其β转变温度为875 °C[24]、[25]。如图1(a)和(b)所示，热压缩试验在Thermecamastor-Z热机械模拟器上进行，温度为750 °C。对于UC，使用直径8毫米、高度12毫米的圆柱形试样，在0.01、0.1和1 s?1的应变率下进行变形，对应的真实应变分别为0.51、0.91和1.61。

初始微观结构

初始微观结构如图2所示。该合金主要由相对粗大的β晶粒组成，晶内取向分布较为均匀（见图2(a)）。图2(b)的相分析显示，β相占约97.4%，而α相仅占约2.6%。采用等效圆直径作为两相的尺寸描述符，得到初始β晶粒尺寸为277 ± 50.81 μm，初始α晶粒尺寸为6.90 ± 2.10 μm。

低应变率下的晶界控制DDRX

图9展示了不同应变率、应变水平和变形模式下β相晶界取向（GOS）的空间分布。如图9(a, b)所示，在低应变率下，低GOS的β区域主要集中在原始β晶界和α/β界面区域，而不是均匀分布在β晶粒内部。这种局部分布表明，低应变率下的β相DRX与晶界相关的变形异质性和局部

结论

本研究探讨了TC18钛合金在α+β区域热变形过程中DRX的应变率依赖性响应机制，通过添加剪切压缩（SC）来明确变形路径对DRX途径发展的影响。主要结论如下：

（1）在α+β双相区域进行UC时，TC18钛合金表现出明显的应变率依赖性转变。在低应变率下，以DDRX伴随的晶界膨胀为主

CRediT作者贡献声明

杉尾健二郎：指导。松木和弘：指导。佐佐木健二郎：指导、资源获取、资金申请。王凯耀：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法学研究、实验设计、资金申请、数据分析。郭颖：数据分析。刘星刚：方法学研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢中国国家留学基金委员会（CSC编号202408050111）提供的财务支持。