通过调控纳米硅化物析出物来解析双模态Ti6321合金的强化机制

《Journal of Alloys and Compounds》：Unraveling the impact toughening mechanism in bimodal Ti6321 alloy through tailoring nano-silicide precipitates

　　

摘要

冲击韧性是评估钛合金损伤容忍能力的重要指标。然而，目前关于微观结构与性能之间的关系以及相应的冲击增韧机制尚未得到深入研究。本研究发现，在Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo（Ti6321）合金的等轴α相与β相界面抑制纳米硅化物（30-40纳米）的析出，可使冲击韧性提升一倍。650℃退火处理虽常用于应力释放和热成形工艺，但几乎不会改变微观结构，却可能引发硅化物析出。因此，研究人员分别对双模态微观结构和等轴微观结构在650℃下进行退火处理。实验结果表明，EM-650和BM-650材料的冲击能量仅为约23焦耳，而原始的EM和BM材料的冲击能量则可达到50至55焦耳。在冲击载荷作用下，纳米硅化物会加剧EM-650和BM-650材料中α?/β界面的应力集中，促进裂纹沿该界面扩展，从而导致冲击断裂面上出现局部解理面，使得冲击能量显著下降。这项研究首次揭示了纳米硅化物对Ti6321合金冲击韧性的关键影响。

引言

作为近α型钛合金，Ti6321合金被广泛应用于海洋工程领域[1]。它不仅具有优异的耐腐蚀性，还能在强度、塑性和冲击韧性之间实现良好平衡[2]。冲击韧性不仅有助于评估部件的结构完整性，也在质量控制和韧性评价中起着重要作用[3]。近年来，钛合金的冲击韧性越来越受到研究关注[4][5]。针对Ti6321合金，现有研究主要聚焦于微观结构（α相和β相的组成）与冲击韧性之间的内在关联[6][7][8]，但关于合金元素对其力学性能影响的研究仍显不足。这一研究空白可能会成为限制Ti6321合金在海洋工程中安全广泛应用的关键因素。

目前相关研究多集中在微观结构对Ti6321合金冲击韧性的影响上[8][9]。Liu等人[8]发现层状微观结构虽然冲击韧性最高，但塑性较差；而双模态微观结构则能在强度、塑性和冲击韧性之间取得较好平衡。Jiang等人[9]表明，较高的冷却速率可缩小次生α相的宽度，从而提升合金强度，但这一过程同时会降低初级α相的体积分数，进而导致冲击韧性下降。不过，很少有研究探讨元素对Ti6321合金冲击韧性的影响。例如，Xu等人[10]指出，添加65 ppm氢元素可同时提升合金的强度、塑性和冲击韧性——强度的提升源于氢元素带来的钉扎效应和固溶强化作用，塑性的提高则与位错移动性增强以及β相片层的断裂有关，而冲击韧性的提升则是由于位错运动和增殖加剧所致。由此可见，适度添加元素是优化Ti6321合金综合性能的有效手段。不过，关于Si元素或硅化物在Ti6321合金中的影响，尤其是其对冲击韧性的影响，相关研究仍较为缺乏。一些研究表明，无论是以固溶态还是析出态存在的Si元素，都能显著提升钛合金的蠕变抗力[11]。例如，Tang等人[12]采用原位硅化物调控策略，使TA15合金在500℃时的强度和塑性优于大多数商用钛合金及钛基复合材料。Chen等人[13]通过固溶处理调节Ti60合金中马氏体与硅化物的含量，使得该合金在600℃时的屈服强度和抗拉强度分别提升了18.0%和27.0%。Guo等人[14]研发的Ti-6Al-4Zr-0.5Mo-0.6Si合金即使在700℃时也能保持510兆帕的屈服强度、651兆帕的抗拉强度以及13%的伸长率。Lian等人[15]研究了近α型高温钛合金Ti-7.5Al-3Sn-9Zr-2Mo-2Nb-1W-0.5Si，该合金在室温下的抗拉强度可达1124.8兆帕，在650℃时的高温抗拉强度则为738.4兆帕。

此外，已有研究能够在多种钛合金体系中精确控制析出硅化物的尺寸、形态和空间分布。研究人员进一步证实，这些硅化物析出物可通过析出强化机制显著提升合金的强度和延展性。例如，Su等人[16]制备了一种含有双尺度硅化物（1.52纳米至1.58微米）的近α型钛合金，该合金在室温下的抗拉强度可达1370兆帕，而在650℃时仍能保持513兆帕的抗拉强度。Luo等人[17]通过调控晶界处的亚稳态含Si相，促使TNZTS合金中形成球形(Ti, Nb, Zr)?Si相，从而实现了屈服强度978兆帕和10.4%伸长率的协同提升。这些研究表明，Si元素对钛合金强度和塑性的有益影响主要源自硅化物的析出强化作用[18]。不过，目前尚无研究阐明Ti6321合金中现有形式的Si元素对其冲击韧性的影响。另外，近期对新型TC5751S合金的研究表明，固溶处理后硅化物溶解与α?/β相界面强化之间的动态平衡，既提升了合金的强度和塑性，又降低了其热处理敏感性[19]。但这些研究主要关注静态拉伸性能，而硅化物析出对冲击韧性的影响尚未有系统研究。此外，650℃这一常规工业退火温度所引发的硅化物析出行为及其背后的冲击损伤机制也尚不明确。本研究创新性地以650℃的工业退火温度为研究对象，旨在明确硅化物的析出行为，同时提出硅化物析出降低冲击韧性的内在机制，以及优化合金冲击韧性的微观结构调控策略。本研究结果可为Ti6321合金在海洋工程中的安全应用和大规模工程化应用提供技术支持与理论依据。

内容节选

实验部分

本研究使用的Ti6321合金是由洛阳船舶材料研究所提供的钛板。该合金的实际化学成分见表1。通过金相法测得的α+β/β相转变温度为990℃。该合金的原始微观结构为等轴微观结构。由于650℃是常用的应力释放和热成形温度，因此将原始的等轴微观结构在650℃下退火1小时。

结果与讨论

图1a–d展示了EM、EM-650、BM和BM-650材料的初始微观结构。通过对等轴α相含量的统计分析可知，(EM, EM-650)与(BM, BM-650)两组材料的主要差异在于初级α相的体积分数：EM和EM-650具有典型的等轴微观结构，初级α相含量约为50%，而BM和BM-650则呈现典型的双模态微观结构，初级α相含量约为30%。相比之下，650℃退火处理几乎未对微观结构产生明显影响。

结论

综上所述，Ti6321合金在等轴α/β相界面存在30-40纳米级的纳米硅化物，经过650℃热处理后，这些硅化物与α相之间存在(2-1-10)_Si//(0001)_α-Ti的取向关系。由于硅化物硬度高且脆性大，会导致位错被阻挡，从而在α/β相界面处产生应变集中，进而引发合金的韧脆转变。α/β相界面处增大的应变梯度会形成局部应力集中，进一步加剧合金的脆性表现。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢中国国家自然科学基金（项目编号52441404）以及HAST青年精英科学家资助计划（项目编号20250EFP026）所提供的资金支持。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系，所有作者均同意发表本篇论文。

盛利杨|谢斌|朱玉辉|江天田|高富阳|吴聪|郭文浩|张帅峰|余伟|卢一帆|胡伟民|廖志谦

中国洛阳471023，洛阳船舶材料研究所