通过低成本碳微合金化及调控的高温固溶处理和时效处理实现 Ti-6Al-4V 合金强塑性协同增强

《Journal of Alloys and Compounds》：Achieving an enhanced strength-ductility synergy in Ti-6Al-4V alloy via low-cost carbon microalloying and tailored high-temperature solution treatment and aging

　　

摘要

实现高强度 - 韧性协同与低成本的平衡仍然是先进钛合金开发中的持续追求。本研究提出了一种简便且具成本效益的策略，结合碳微合金化与定制热处理，以改善 TC4 (Ti-6Al-4V) 合金的强度 - 韧性权衡。通过向 Ti-6Al-4V 中引入微量碳并设计特定的高温固溶和时效处理，我们系统研究了碳对微观结构演变和力学行为的影响。结果表明，针状 α 相的析出以及变形孪晶和位错的形成，加上 TiC 析出物引起的 α/β 微观结构细化，有助于提高强度和韧性。由于这些多种强化和增韧机制的协同作用，开发的钛合金实现了出色的极限抗拉强度 (1203 MPa) 和延伸率 (13.0%) 组合，显著优于传统 Ti-6Al-4V 合金。通过使用低成本碳替代传统的昂贵合金元素，本研究实现了力学性能的显著提高，为高性能钛合金的低成本生产提供了一条可行的技术途径。

引言

Ti-6Al-4V (TC4) 是一种典型的 α+β 钛合金，因其优异的比强度、耐腐蚀性和生物相容性而被广泛应用于航空航天、生物医学和海洋工程领域 [1]。然而，先进结构应用中对更高服役性能日益增长的需求揭示了传统 TC4 合金的性能局限性。具体而言，强度与韧性之间的权衡仍然是一个持续的挑战。传统的强化策略，如晶粒细化或沉淀硬化，往往会牺牲韧性，从而限制了 TC4 在安全关键部件中的广泛应用。

微合金化已成为解决钛合金中这一强度 - 韧性困境的一种有前景的方法。通过引入微量合金元素（如 C, B）来细化晶粒或形成第二相，材料的潜力可以在不显著增加成本的情况下得到显著开发 [2]，[3]。其中，碳由于其丰富、低成本、显著的固溶强化效果以及在钛基体内原位形成 TiC 增强相，表现出独特的应用前景 [4]。这些属性使碳成为替代传统用于增强钛合金的昂贵合金元素的理想候选者，使其成为一个越来越受关注的课题。然而，虽然碳微合金化已被广泛用作调整钛合金微观结构和力学性能的一般策略，但如何精确调控碳化物的析出行为以实现最佳的强度 - 韧性协同，特别是通过精心设计的、工业兼容的热机械路线，这一关键科学问题仍未得到充分解决。现有文献主要报道了碳的有益或有害影响，但对碳改性 TC4 中工艺 - 微观结构 - 性能关系的系统理解仍然是碎片化的。

关于碳和原位 TiC 增强相对钛合金力学性能影响的研究已广泛展开。例如，Ozerov 等人 [5] 证明向纯钛中添加碳可显著强化，但他们的研究主要集中在宏观性能改善上，对 TiC 析出物调节 α 相转变和微观结构演变的潜在机制探索有限。Yangon 等人 [6] 将改性纳米碳引入 Ti-6Al-4V 中，细化了铸态微观结构，实现了 981 MPa 的极限抗拉强度和 8% 的延伸率。然而，析出物的形成机制及其在基体演变中的具体作用尚未得到充分阐明。这些研究表明，原位形成的 TiC 颗粒可以与钛基体建立有利的界面结合，为有效强化提供了微观结构基础 [7]，[8]，[9]。然而，几个关键科学问题仍未解决。首先，碳在改变 α/β 相转变动力学和后续微观结构演变中的精确作用需要进一步阐明，特别是在不同加工条件下。其次，TiC 形成的临界阈值及其与强度 - 韧性权衡的关系尚未被系统绘制。此外，溶质碳效应与颗粒增强贡献之间的相互作用，特别是在两种机制同时起作用的过渡区域，代表了显著的知识空白。此外，加工参数（如冷却速率和热机械处理）对碳微合金化有效性的影响尚未得到充分检查。因此，通过优化的热处理精确控制 TiC 的析出行为（包括尺寸、分布和形貌），以协同增强强度和韧性，构成了一个关键的研究焦点和挑战 [10]。

热处理在定制钛合金微观结构方面起着决定性作用，对于充分利用微合金化策略的全部潜力至关重要。在高温固溶处理期间，碳可以溶解到 β-Ti 基体中形成过饱和固溶体，其随后的析出行为强烈依赖于所选的热参数 [11]。这种敏感性为微观结构控制提供了机遇和挑战。例如，S. Mereddy 等人 [12] 报道，增材制造 Ti-6Al-4V 中过高的碳添加促进了粗大碳化物的形成，导致严重的脆化和力学性能恶化。相反，Markovsky 等人 [13] 观察到，短持续时间的高温处理可以有效增加碳过饱和度并促进细小分散 TiC 析出物的快速形核，从而在保留强化益处的同时降低脆化风险。然而，尽管有这些见解，但旨在通过受控固溶处理随后时效实现纳米级 TiC 颗粒均匀分散的系统研究仍然有限。

至关重要的是，关于精确控制 TiC 析出及其在随后时效阶段对 α/β 转变动力学的影响，仍然存在显著的知识空白。特别是，TiC 颗粒在低温时效期间的双重作用，既作为针状 α 相的非均匀形核点，同时固定 α/β 界面并阻碍粗化，尚未得到系统阐明。因此，深入了解这种相互作用对于优化含碳钛合金中强度与韧性的平衡至关重要。

在本工作中，我们提出了一种简便而有效的策略，将低成本碳微合金化作为昂贵合金元素的替代品，结合定制热处理（包括高温固溶随后低温时效）。目的是系统研究碳改性 Ti-6Al-4V 合金的微观结构演变和力学行为。重点在于阐明固溶处理期间 TiC 析出物均匀分散的机制，以及时效期间 TiC、针状 α 和变形孪晶之间的交互和协同效应。通过使用低成本碳替代传统的昂贵合金元素并优化热加工路线，本研究旨在为开发具有增强强度 - 韧性组合的高性能钛合金提供一条可行途径，为成本效益合金设计提供理论见解和实践指导。

章节摘要

材料制备

采用真空电弧熔炼炉制备了碳改性 Ti-6Al-4V 合金。铸锭重熔五次以确保化学均匀性。当受控的碳过饱和度与优化的热处理结合时，会产生具有显著硬化效果的细小分散 TiC 析出物。选择 0.2 wt.% 的目标碳含量是为了超过碳在 β-Ti 中的固溶度极限（约 0.14 wt.%），从而确保在高温下形成过饱和固溶体

初始微观结构

图 2 展示了不同放大倍数下收料轧板（样品 A1）的微观结构。图 2(a) 和图 2(b) 中的 OM 图像揭示了热机械处理 α+β 钛合金典型的双相带状结构。这种微观结构由沿轧制方向伸长的初级 α (α_p) 晶粒组成，其间散布着分布在它们之间的转变 β (β_t) 区域。

更高放大倍数的 SEM 图像 (图 2(c)) 提供

TiC 析出物的表征

为了明确鉴定这些析出物的晶体结构并阐明它们对周围基体的影响，对 STA2 试样进行了 TEM 分析。结果展示在图 11 和图 12 中。图 11(a) 和图 11(d) 分别显示了无 TiC 析出物区域的明场 (BF) 和暗场 (DF) TEM 图像。在这些区域，微观结构表现出在固溶处理期间形成的极细针状 α 相的均匀和致密分布

结论

总之，本研究表明，通过使用低成本碳替代传统的昂贵合金元素并结合定制的高温固溶和时效处理，可以实现 Ti-6Al-4V 合金中优越的强度 - 韧性协同。主要发现如下：

• (1)
  碳微合金化随后进行固溶处理，产生均匀分散的 TiC 析出物，这些析出物在时效期间保持稳定，并通过晶粒将屈服强度提高至 1135 MPa

未引用参考

[50]

CRediT 作者贡献声明

王乐：写作 - 审查与编辑，写作 - 原稿，概念化。 阮玉超：写作 - 原稿，调查。 姚家豪：验证，资金获取。 周宇：调查。 邓新波：调查。 杨磊：调查。 邓佳伦：调查。 魏心远：调查。 刘伟峰：调查，资金获取。 范群波：监督，方法论。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢国家重点研发计划（资助号：2024YFB3714200）、冲击与撞击下材料科学技术国家重点实验室基金（编号：WDZC2024-5）、国家自然科学基金（编号：52301032, U2441261, 52441404）、重庆人才计划"Block Grant"项目（编号：CQYC20220301680）的财政支持。

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