近α钛合金的超塑性机制：晶粒尺寸与相比的竞争与协同作用

《Journal of Alloys and Compounds》：Superplasticity mechanisms of a near-α titanium alloy: Competition and synergy of grain size and phase ratio

　　摘要：为了满足对轻量化设计和高温机械性能的需求，Ti65合金已成为关键航空发动机部件的有前途的结构材料。本研究在890-970°C和0.0005-0.004 s-1的条件下，研究了超塑性变形行为、微观结构演变及其背后的机制，重点关注晶粒尺寸和相比例演变对超塑性的竞争和协同效应。结果表明，Ti65合金表现出卓越的超塑性，在所有测试条件下其伸长率均超过350%，在890-950°C或0.0005-0.002 s-1的条件下，伸长率超过500%，在910°C和0.001 s-1的条件下达到659.2%的峰值伸长率。在0.001 s-1的条件下分析的应变率敏感性指数（约0.48）和激活能（约249.4 kJ/mol）证实了晶界滑移（GBS）是主要的变形机制。微观结构观察显示，在动态应变的驱动下，标距区域的β相分数显著高于夹紧区域，而初级α相的晶粒尺寸通过连续和不连续的动态再结晶（CDRX和DDRX）大幅细化。在较高温度和较低应变率下，α→β动态相变增强了β相的体积分数，从约6.5%增加到约57.8%，其中β相分数不超过50%有助于降低流动应力并通过提供更多的α/β相界面来促进GBS。相反，随着温度的升高和应变率的降低，初级α相和β相的晶粒生长甚至粗化，导致晶粒/相界密度降低，进而恶化了超塑性。晶粒尺寸和相体积分数的矛盾演变定义了一个最佳的协同加工窗口，其特征是β相分数约为10%-25%，初级α相的平均晶粒尺寸低于约7.0μm，在此范围内GBS效率和晶内适应能力达到最佳平衡。

引言：接近α型的钛合金已被确定为航空发动机中关键高温轻质结构部件的有前途的候选材料，这归因于它们的高比强度、高比刚度以及出色的高温耐久性和抗蠕变性能[1][2][3][4]。高超音速飞机的发展对推进系统和外壳中使用的高温轻质结构材料提出了越来越严格的要求，在高超音速飞行过程中，这些部件的工作温度可达到650-700°C[5]。然而，国际上先进的高温钛合金，如Ti1100[6]、IMI834[7]和Ti60[8]，其最大工作温度为600°C。超过这个阈值后，它们的高温抗氧化性和机械性能会急剧下降，无法满足高性能飞机的工作要求[9]。为了克服传统钛合金的600°C“热障”，最近开发了一种多元素固溶强化的接近α型高温钛合金，即Ti65合金，其标称组成为Ti-6.2Al-4.4Zr-3.5Sn-1.1Ta-0.7Mo-0.7W-0.35Si-0.3Nb-0.08 C。这种合金设计用于在高达650°C的长期服务和在高达700°C的短期服务[10][11]。它特别适用于制造关键航空发动机部件，如整体叶片、叶片和加力燃烧室外壳[4][12]。然而，由于这种复杂的高温钛合金部件在室温下表现出明显的低延展性、高强度、有限的变形能力和显著的回弹[1][13]，这些特性源于其高的α相分数和多元素固溶强化[14]，因此其精密塑性成形过程受到严重阻碍。为了克服这些技术瓶颈，高温塑性变形技术，特别是超塑性成形（SPF），通过显著降低流动应力和有效抑制回弹，为制造薄壁、复杂的整体结构提供了重要的技术途径[15][16]。在超塑性中观察到的卓越延展性主要归因于晶界滑移（GBS），这是通过晶内的位错滑移/蠕变和扩散蠕变来维持晶界连续性的[17][18][19]。此外，动态相变、动态再结晶（DRX）、动态恢复（DRV）和晶粒旋转也被证明可以促进接近α型和（α+β）型钛合金的超塑性变形，主要是通过改变相比例、晶粒尺寸、位错和晶粒取向分布[3][20][21]。必须认识到加工参数（如变形温度和应变率）在控制动态微观结构演变和主要超塑性机制中的关键作用[14][15]。例如，细小的晶粒结构通常有利于超塑性，这可以归因于增加的晶界密度，从而促进了GBS，增强了应变率敏感性，抑制了空洞的产生和传播。因此，在适当的加工参数下，DRX诱导的晶粒细化可以增加晶界密度，从而增强GBS和超塑性[1][22]。相反，由于高温或低应变率导致的动态晶粒生长引起的晶粒粗化会降低晶界密度，阻碍GBS，从而恶化超塑性[1][23][24]。此外，β相体积分数在促进GBS和接近α型钛合金的超塑性机制中起着至关重要的作用，因为较软的β相具有更多的滑移系统，能够有效缓解应力集中并阻止空洞的形成[18][23][25]。一般来说，通过提高温度和降低应变率可以促进α到β的相变，从而增加β相的体积分数和α/β界面密度（前提是β相分数不超过50%）[14][15][26]。这种转变促进了GBS并增强了超塑性变形，因为α/β界面相比α/α和β/β晶界具有较低的滑移阻力[26][27][28]。此外，通过GBS实现最大伸长率的最佳α/β相比例分别为接近α型TNW700合金的50/50（在950°C和0.001 s-1时为约523.2%）[15]和Ti-6242S合金的50/50（在910°C和1×10-4 s-1时为523.3%）[29]，TA15合金的75/25（在880°C和0.001 s-1时为约1470%）[20]，以及Ti-Al-Mn合金的70/30~88/12（在800-850°C和4×10-4 s-1时为600-650%）[23]，这些差异归因于合金成分和晶粒结构稳定性的变化[30]。此外，在适当的α/β相比例下，还观察到α相和β相晶粒之间的生长相互抑制，这显著增强了超塑性伸长率[19]。因此，对于初始α相体积分数超过90%的接近α型高温钛合金，优化超塑性变形和确保最佳伸长的主要策略是选择促进晶粒细化和/或增加β相体积分数的适当加工参数。然而，可能在晶粒尺寸和相比例之间需要达成妥协，因为通过静态/动态相变实现相对较高的β相体积分数通常需要较高的温度和较低的应变率，而这反过来又会促进晶粒生长甚至粗化[31]。因此，阐明晶粒尺寸和β相分数演变之间的竞争和协同关系对于实现最佳超塑性和理解其控制机制至关重要。

尽管之前的研究和机制分析为探索高温接近α型钛合金的超塑性行为提供了理论框架，但对于新开发的Ti65合金的超塑性行为仍缺乏系统理解，特别是其异常高的初级α相含量和强的热力学稳定性如何驱动晶粒尺寸和相比例的协同演变。为了解决这一研究空白，本研究基于“加工参数-微观结构-超塑性性能”协同调控的研究理念进行了设计。系统研究了变形温度和应变率对Ti65合金超塑性流动行为、最大伸长率和应变率敏感性的影响，揭示了在不同加工参数下的晶粒尺寸、相比例、晶粒取向、位错密度和激活滑移系统的动态演变行为和模式，并阐明了α→β相变和晶粒细化的控制机制。重要的是，阐明了晶粒尺寸和相比例演变在调节Ti65合金超塑性变形中的竞争和协同效应，从而为其SPF和工艺优化奠定了理论基础。

实验程序：本研究使用的材料是厚度为1.0 mm的接近α型Ti65合金板材，其标称组成为（按重量%计）Ti-6.2Al-4.4Zr-3.5Sn-1.1Ta-0.7Mo-0.7W-0.35Si-0.3Nb-0.08 C。通过差示扫描量热法（DSC）测得的β相转变温度（Tβ）约为1035°C。超塑性拉伸试样采用电火花加工（EDM）加工，其标距长度与轧制方向（RD）平行。试样几何形状具有标距...

接收态Ti65合金的微观结构：接收态Ti65合金片的初始微观结构通过SEM和EBSD进行了全面表征，如图1所示。显然，在图1a中观察到主要的初级α相（六方密排，HCP），以及少量的β相（体心立方，BCC）和白色颗粒沉淀物。相应的元素分布图确认了这些沉淀物中的Zr和Si富集，将其鉴定为硅化物。

相变行为和机制：相变已被确定为控制Ti65合金超塑性变形行为和背后机制的关键微观结构演变过程。超塑性变形后，与接收态材料相比，标距区域和夹紧区域的β相体积分数均有所增加，在更高温度和更低应变率下进一步增加（如图1b、图3、图4、图8和图9所示）。

结论：本研究调查了Ti65合金的微观结构演变和超塑性行为，特别关注晶粒尺寸和相比例演变在控制Ti65合金超塑性中的竞争和协同效应。主要结论总结如下：(1) 在所有测试条件下都实现了超过300%的卓越超塑性。最佳参数确定为910°C和0.001 s-1，产生了峰值...

作者贡献声明：Lixia Ma：撰写-审稿与编辑、撰写-原始草稿、可视化、验证、调查、经费获取、数据管理、概念化。Rui Fan：可视化、验证、软件、方法论、调查、概念化。Tianyu Cui：可视化、方法论、调查、概念化。Dingyong He：撰写-审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、概念化。Weidong Li：监督、资源、方法论。

利益冲突声明：作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文中报告的工作。

致谢：作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号52405333）、北京自然科学基金（项目编号3244030）、中国博士后科学基金（项目编号2023M740163）和北京博士后研究基金（项目编号2023-zz-72）以及NTUT-BJUT联合研究计划（NTUT-BJUT-113-03）的资助支持。

作者：Lixia Ma | Rui Fan | Tianyu Cui | Dingyong He | Weidong Li | Xiuquan Han | Yunxi Liu
北京工业大学材料科学与工程学院，北京100124，中国