《Metals》：Effect of Hot Rolling Temperature on the Microstructure and Macro-Texture Evolution Laws of TC2 Titanium Alloy and Their Influence on Mechanical Properties
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摘要：TC2钛合金（Ti-4Al-1.5Mn，质量分数）是一种近α（near-α）钛合金，在航空航天和生物医学领域具有应用前景，但其室温塑性有限且对织构（texture）敏感，制约了高性能板材的制备。本研究考察了830 ℃和930 ℃热轧对TC2合金显微组织、
摘要：TC2钛合金（Ti-4Al-1.5Mn，质量分数）是一种近α（near-α）钛合金，在航空航天和生物医学领域具有应用前景，但其室温塑性有限且对织构（texture）敏感，制约了高性能板材的制备。本研究考察了830 ℃和930 ℃热轧对TC2合金显微组织、宏观织构、力学性能及断裂行为的影响。与830 ℃热轧试样相比，930 ℃热轧试样表现出更细小的初生α相晶粒、更高体积分数的细小弥散次生αs相（secondary αsphase）以及更均匀的Mn元素分布，而两组合金均保持α＋β相组成。织构（texture）及取向分布函数（Orientation Distribution Function, ODF）分析表明，升高轧制温度使(0001)极图（pole figure）最大强度由6.68 m.r.d.（multiples of a random distribution，随机数分布倍数）降至5.23 m.r.d.，并使(10?10)极图最大强度增至9.62 m.r.d.，表明基面织构（basal texture）减弱、柱面织构（prismatic texture）增强且取向分布更加分散。因此，尽管抗拉强度（Ultimate Tensile Strength, UTS）略有下降至约730 MPa，但断后伸长率由约24％提升至约28％。930 ℃热轧后观察到的更细密韧窝（dimples）进一步证实塑性变形协调能力的改善。
论文解读：热轧温度对TC2钛合金显微组织、宏观织构演变及力学性能的影响
研究背景与意义
钛合金因其高比强度、耐腐蚀性及良好生物相容性广泛应用于航空航天、海洋工程及生物医学领域。TC2钛合金（名义成分Ti-4Al-1.5Mn, wt.%）属典型的中强高塑近α（near-α）钛合金，被用于航空发动机机匣及飞机结构承力件。随着装备轻量化及高可靠性需求提升，需对其强塑性进行精确调控。热轧是控制钛合金显微组织和织构（texture）的有效手段，其中轧制温度决定相组成、晶粒尺寸、再结晶程度及织构类型与强度。近α钛合金中α相为六方最密堆积（Hexagonal Close-Packed, HCP）结构，独立滑移系少（仅3个基面滑移系），变形中易形成强变形或再结晶织构，导致明显力学各向异性，限制板材成形性及服役可靠性。现有对TC2钛合金热轧的研究多局限于单一温度下的显微组织演化或焊后热处理优化，缺乏不同热轧温度下显微组织与宏观织构协同演变规律及其对力学性能影响的系统性定量研究，织构类型、强度、演变路径及与显微组织演化的内在关联尚未明确。为此，研究人员以TC2钛合金为对象，系统对比830 ℃与930 ℃（均低于β转变温度，β transus约968 ℃）热轧后的显微组织、织构及室温拉伸性能，揭示显微组织—宏观织构协同演化对塑性改善的影响机制，为高性能TC2板材热轧工艺优化提供参考。该论文发表于《Metals》。
主要技术方法概述
研究人员采用真空自耗电弧熔炼制备TC2钛合金铸锭（Ti-4Al-1.5Mn, wt.%），经多次重熔确保成分均匀，锻前850 ℃氩气保护均匀化退火1 h空冷。将试样分为两组，分别于830 ℃和930 ℃箱式电阻炉保温60 min后，在两辊轧机上多道次热轧（单道次压下量5％，共16道次，总变形量80％，终轧厚度5 mm），道次间回炉短时保温5–10 min，轧后550 ℃氩气氛消除应力退火1 h空冷。采用金相砂纸逐级研磨、机械抛光及HF+HNO3混合酸腐蚀后，利用场发射扫描电镜（Scanning Electron Microscope, SEM）及能谱仪（Energy Dispersive Spectroscopy, EDS）观察显微组织形貌及元素分布；采用X射线衍射仪（X-Ray Diffraction, XRD）进行物相分析及α相(0001)、(10?10)、(11?22)极图测试，并基于测得极图重构取向分布函数（Orientation Distribution Function, ODF）。沿轧制方向（Rolling Direction, RD）加工狗骨状拉伸试样，按GB/T 228.1-2021标准于电子万能试验机进行室温拉伸试验（每组≥3个平行样），用SEM观察断口形貌。
研究结果
3.1. 显微组织与织构分析（Microstructure and Texture Analysis）
通过SEM、EDS及XRD分析发现，铸态组织为粗大的初生α相及晶界β相并伴铸造偏析。830 ℃热轧后初生α相沿RD拉长并明显细化，冷却过程中β→α转变析出少量针状次生αs相（secondary αsphase），Al富集于α相区，Mn富集于次生αs相/β相处。930 ℃热轧后初生α相进一步细化，次生αs相体积分数显著增加且形态更细小弥散，Mn分布更均匀；因930 ℃更接近α/β相变温度（β transus约950–980 ℃），β相体积分数增大，为冷却时次生αs相析出提供更多形核位点。XRD证实两组试样均为α(HCP)+β(Body-Centered Cubic, BCC)双相，无新相生成。(0001)极图显示830 ℃试样最大强度6.68 m.r.d.，呈明显横向织构（c轴倾向横向前Transverse Direction, TD），(10?10)极图最大强度6.04 m.r.d.，(11?22)极图强度较低（2.99 m.r.d.）；930 ℃试样(0001)极图最大强度降至5.23 m.r.d.且分布弥散，(10?10)极图强度升至9.62 m.r.d.，(11?22)略增至3.81 m.r.d.，反映基面织构（basal texture）减弱、柱面织构（prismatic texture）增强。ODF分析表明830 ℃热轧以强(0001)基面纤维织构为主，棱柱与锥面组分分散；930 ℃热轧基面织构显著弱化，棱柱与锥面织构组分增强且取向分布更分散——升温促进原子热激活、降低临界分切应力（Critical Resolved Shear Stress, CRSS），使棱柱滑移与锥面滑移更易开动，多滑系协调变形致取向分散。较高β相分数下冷却时按Burgers取向关系（Burgers Orientation Relationship）发生α相变体选择（variant selection），亦有助于α相c轴取向发散从而削弱基面织构。
3.2. 力学性能分析（Mechanical Properties Analysis）
室温拉伸结果显示，830 ℃与930 ℃热轧试样屈服强度（Yield Strength, YS）与极限抗拉强度（Ultimate Tensile Strength, UTS）相近，但断后伸长率（elongation after fracture）由约24％（830 ℃）升至约28％（930 ℃），UTS略降至约730 MPa。强基面织构限制多滑系激活致塑性差；930 ℃热轧弱化基面织构、增强柱面织构并促进多滑系开动，降低沿拉伸方向塑性变形阻力，改善变形协调能力，强度略降但塑性明显提升。断口SEM显示两组均为微孔聚集型韧性断裂（ductile fracture），830 ℃试样韧窝粗大不均、撕裂棱较粗且连续；930 ℃试样韧窝细小致密、撕裂棱平缓纤细，对应更协调塑性流变——与次生αs相细化弥散分布、基面织构减弱及多滑系激活相符。
讨论与结论翻译（Conclusions）
本研究发现，经均匀化退火和多道次热轧（总变形80％）后两组成分均显著晶粒细化，930 ℃热轧试样表现更优：初生α相进一步细化，次生αs相体积分数显著增加且更细小弥散（Mn分布均匀），XRD显示α相衍射峰增强且无新相。宏观织构分析表明930 ℃热轧使(0001)极图最大强度由6.68 m.r.d.降至5.23 m.r.d.且分布扩散，(10?10)极图强度增至9.62 m.r.d.，实现基面织构弱化和柱面织构强化。此变化源于轧温接近β转变温度使β相体积分数增加，促进次生αs相析出及按Burgers取向关系的相变变体选择。ODF分析进一步揭示830 ℃热轧产生强基面纤维织构，930 ℃热轧最大织构强度达18.17 m.r.d.但分布弥散且柱面与锥面组分增强；热激活增强促使非基面滑移开动及晶粒复杂重定向，显著改善变形协调性并降低各向异性。力学性能表明930 ℃热轧试样断后伸长率由约24％升至约28％，UTS略降至约730 MPa，优化强塑匹配。断口观察证实830 ℃试样韧窝粗大致密性差，930 ℃试样韧窝细密，塑性变形更协调。上述温度依赖的"显微组织—宏观织构—性能"耦合机制可归纳为：较高热轧温度通过β相提供次生αs相形核位点增加及基面织构弱化的协同作用，显著提升TC2钛合金塑性变形能力。
