变形程度对多自由度成形制备TA15钛合金微观组织与力学行为的影响

《Materials Today Communications》：Influence of deformation degrees on microstructure and mechanical behavior of TA15 titanium alloy prepared by multi-DoF forming

　　

研究人员将轧态TA15钛合金在10–50%变形程度范围内进行多自由度（multi-DoF）成形，旨在阐明变形程度、微观组织与力学性能之间的关联。轧态TA15合金具有由初生等轴αp相与β转变组织构成的典型组织，棱柱（prismatic）与棱锥（pyramidal）织构占比近似相等而基面（basal）织构极少，抗拉强度为921 MPa，延伸率达20.3%。多自由度成形诱导等轴αp晶粒逐步细化，并在β转变组织内生成含马氏体α与次生αs的纳米级针状α。同时，棱锥与基面织构比例上升，棱柱织构比例下降。多自由度成形带来强度提升但塑性降低；除50%变形时塑性略有恢复外，强度总体随变形程度增大而升高，延伸率则下降。强化源于马氏体相变、晶粒细化与加工硬化的耦合作用，塑性降低主要由位错密度升高、马氏体强化效应及残余β相减少所致。该研究有望为高性能钛合金制备提供新途径。

研究背景方面，TA15（Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V）作为近α钛合金，因兼具α与α+β钛合金优势，在航空发动机叶片与机身等复杂构件中需求迫切，既要求室温与高温综合力学性能，也要求宏观成形精度与细观组织调控能力。传统单轴剧烈塑性变形（SPD）如轧制、锻造、旋压虽可优化组织，但对双态组织调控精度有限。研究人员此前提出多自由度（multi-DoF）成形这一新型SPD技术，已在镁、铝合金属实现强塑协同提升，但在TA15钛合金上研究匮乏。为此，研究人员以轧态TA15为对象，在10–50%变形程度区间单道次多自由度成形，系统揭示变形程度—组织—性能关联，成果发表于《Materials Today Communications》。

关键技术方法上，研究人员采用65 mm×65 mm×15 mm轧态TA15方板（XRF实测Ti-6.71Al-2.38Zr-2.26V-1.88Mo），于960 ℃预热30 min后在T630设备上以倾角1.5°、上模4 r/s、下模1 mm/s进行单道次多自由度成形，变形程度10–50%（压下量1.5–7.5 mm），水淬保留形变组织；显微表征用OM、SEM-EBSD（步长0.15 μm）、TEM及XRD，力学测试用Instron5967沿轧向以0.001 s^?1拉断，每组至少三次重复。

研究结果部分，3.1微观组织演变表明，轧态为α_p（均径16.87 μm）+片层α_s+β转变组织（α相93.3 vol.%）；多自由度成形后α_p均径降至10.97–13.44 μm，β转变组织中析出纳米针状α（10%时约165 nm，50%时约81 nm，TEM见50–100 nm束状马氏体α+α_s），α相体积分数升至95.8–99.8%，β相降至0.2–4.2%；EBSD显示低角晶界（LAGB）向高角晶界（HAGB）转化（50%时HAGB 83.7%），再结晶分数极低（50%时回升至19.1%）。3.2织构演变表明，轧态棱柱46.4%、棱锥51.0%、基面2.6%；随变形程度增大棱柱降至20.5%，棱锥升至69.5%，基面升至10%，即棱柱织构向基面/棱锥织构转动。3.3力学性能表明，轧态UTS 921 MPa、延伸率20.3%；10%变形UTS 1073 MPa、延伸率14.8%；40%变形UTS 1175 MPa、延伸率最低9.6%；50%变形UTS 1163 MPa、延伸率略回至10.6%，整体强升塑降且优于轧/锻/挤/旋压报道值。

讨论部分，研究人员指出α_p细化源于GROD（晶粒参考取向差）值升高（50%时均值4.22°、峰值47.9°）促晶界形核；棱柱→棱锥→基面转变由非棱柱滑移激活与Schmid因子变化驱动（棱柱SF由0.30降至0.22–0.29，棱锥滑移SF稳于0.44）；针状α为水淬保留的β→α'马氏体（界面取向关系[-211-3]_α//[-1-1-1]_β，晶面间距d_(-1101)α=0.227 nm、d_(-110)β=0.224 nm）。力学演化机制为：几何必需位错（GND）密度由0.81×10¹⁴ m^?2升至40%时7.55×10¹⁴ m^?2（50%回落至6.01×10¹⁴ m^?2因再结晶缓解）支撑强度上升；塑性下降因位错累积、马氏体强化及残余β减少，50%时塑性微回得益于再结晶分数上升与GND略降，同时滑移持续协调c轴应变。研究结论为：多自由度成形通过马氏体相变、晶粒细化、加工硬化耦合强化TA15，使强度达1073–1175 MPa级而延伸率维持在9.6–14.8%，为高性能近α钛合金组织—性能定制提供新SPD路径。