退火对TA1/Al3003层状复合板应变传递行为的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Influence of Annealing on Strain Transfer Behavior in TA1/Al3003 Laminated Composite Plates

　　

为阐明退火引起的TA1/Al₃₀₀₃钛/铝层状复合板层间应变传递路径反转现象，本研究将原位数字图像相关(DIC)技术与EBSD/KAM分析、界面剪切测试、残余应力测量及高分辨透射电子显微镜(HRTEM)表征相结合。此处，“路径反转”指应变局部化起始层以及随后跨界面传播方向的变化，而非应变符号的改变。轧制态复合板的TA1层含有高比例的小角度晶界和亚结构区域，平均KAM值为0.338，而Al₃₀₀₃层以再结晶晶粒为主。经550 °C退火30 min后，TA1层和Al₃₀₀₃层的平均KAM值分别降至0.246和0.101，且Al₃₀₀₃层发生完全再结晶并伴随显著的晶粒长大。原位DIC直接证据表明，轧制态试样中高ε_yy区起源于Al₃₀₀₃侧并向TA1层扩展，形成Al→Ti传递路径。退火30 min后，高ε_yy区首先出现在TA1侧，随后向Al₃₀₀₃侧延伸，表现为Ti→Al传递路径。微观组织与界面证据的综合分析表明，不对称回复/再结晶、残余应力重分布以及TiAl₃界面层形成共同促成了这一路径反转。对于60-120 min退火条件，未赋予经DIC验证的传递方向；观察到的应变协调能力退化系依据EBSD、拉伸、断口及表观界面剪切强度等辅助结果推断，这些结果表明了Al₃₀₀₃层粗化和界面逐渐退化。

**退火对TA1/Al₃₀₀₃层状复合板层间应变传递路径影响的研究解读**

**一、研究背景与存在问题**

钛/铝层状金属复合材料(LMCs)兼具钛的高比强度与耐蚀性以及铝合金的低密度与良好导热/导电性能，在航空航天、轻量化交通、换热组件及一体化承力/功能结构等领域具有广阔应用前景。与单一金属相比，层状复合材料的宏观性能不仅取决于各组成层自身的强度与塑性，还受界面结合强度、层厚比、变形协调性及层间应变/载荷传递效率等因素控制。在Ti/Al体系中，层状结构可通过界面约束、裂纹偏转和应变分配改善强度-塑性匹配，但这种改善强烈依赖于拉伸变形过程中Ti层与Al层之间局部应变传递的实际路径。

热轧复合通常借助大塑性变形、表面氧化膜破裂、新鲜金属表面接触及短程扩散实现Ti/Al界面结合。然而，Ti与Al在弹性模量、流变应力、热膨胀系数、回复/再结晶动力学及加工硬化能力等方面存在显著差异，导致轧制后界面两侧不可避免地产生不对称的储存变形能、晶界结构和残余应力场。后续退火虽可促进回复、再结晶和残余应力松弛，但也可能诱发Ti-Al界面扩散反应及TiAl₃金属间化合物的形成。在550 °C附近，Al3003易于发生再结晶和晶粒长大，而TA1层的回复/再结晶相对迟缓。这种不对称性可能改变界面附近的局部屈服顺序、应变梯度和变形协调模式。

尽管原位数字图像相关(DIC)技术已被证实是研究异质层状材料中应变分配、应变局部化和损伤演化的有效手段，但关于退火如何改变Ti/Al层状复合板的层间应变传递路径，特别是是否会发生传递方向的“反转”，尚缺乏直接的实验证据和系统的机理解释。因此，本研究以TA1/Al₃₀₀₃层状复合板为对象，旨在阐明550 °C退火对层间应变传递路径反转的影响及其耦合机制。

**二、研究技术与方法**

本研究采用多尺度实验表征手段。材料为热轧复合制备的TA1/Al₃₀₀₃双层复合板，轧制温度450-500 °C，总压下量约65%，TA1与Al₃₀₀₃层最终厚度分别约为0.5 mm和2 mm。退火处理在550 °C下进行，时间分别为30、60、90和120 min。主要实验方法包括：原位DIC拉伸应变场测量（对RD-ND截面进行散斑喷涂，VIC-2D软件分析）；EBSD晶界/再结晶/KAM表征（ZEISS Sigma 300场发射扫描电镜，步长0.2 μm）；界面剪切测试（参照GB/T 6396-2008标准）；室温单轴拉伸测试（DNS50试验机）；钻孔法残余应力测量（参照ASTM E837标准）；FIB制备界面透射试样并进行HRTEM/FFT/GPA分析，以及SEM断口观察。

**三、主要研究结果**

**3.1 退火过程中界面微观组织与晶界特征的演变**

EBSD晶界图显示，随退火进行，Ti侧晶粒趋于均匀化，小角度晶界(LAGBs，1-5°)和中角度晶界(MAGBs，5-15°)数量减少，大角度晶界(HAGBs，>15°)比例增加，Ti层平均取向差角从31.57°增至36.54°和40.28°。相反，Al层对退火更敏感：30 min退火后晶粒显著长大，HAGBs占主导；但60 min退火后，粗化的Al晶粒内部出现新的取向梯度或亚晶结构，LAGBs和MAGBs比例回升至0.31和0.229。定量统计表明，Ti层平均晶粒尺寸仅从2.07 μm增至2.57 μm，而Al层从1.98 μm迅速增至4.37 μm和9.48 μm。再结晶分析显示，轧制态Ti层仅含1.3%再结晶晶粒，30 min退火后增至16.0%，60 min后达40.3%；Al层在轧制态已有86.6%的再结晶分数，退火后完全再结晶。这种不对称微观组织演变为应变传递方向改变提供了结构基础。

**3.2 KAM演变与储存变形能**

轧制态Ti层平均KAM值为0.338，显著高于Al层的0.182，表明Ti侧保留更高的局部取向梯度和储存变形能。30 min退火后，Ti和Al层KAM值分别降至0.246和0.101，反映回复和再结晶消除了部分局部取向梯度。60 min退火后，KAM值反而回升至0.426（Ti）和0.252（Al），且晶界和界面附近重新出现高KAM区域。研究人员谨慎地将其解释为冷却过程中热膨胀失配应变和界面约束共同导致的更不均匀局部取向场，而非原始轧制位错密度的直接恢复。

**3.3 表观界面剪切强度、拉伸行为与断口形貌**

轧制态界面剪切强度约为127 MPa；30 min退火后仍保持约126 MPa；延长至60、90和120 min后分别降至约111、104和83 MPa。拉伸测试显示，30 min退火使复合材料伸长率从轧制态的18-20%提高至约32%，但强度从约200 MPa降至约150 MPa。断口观察显示各状态均以韧窝为主的韧性断裂特征，但界面附近存在分层或局部开裂，界面始终是拉伸失效的关键薄弱区域。

**3.4 原位DIC揭示的主导应变传递路径反转**

轧制态试样在0.5-1.0%宏观应变时，高ε_yy区首先出现在Al侧界面附近；随应变增大至2.0-3.0%，高应区沿Al侧扩展并向界面聚集；7.0-15.0%时应变等高线从Al侧向Ti侧弯曲，形成跨界面连续应变梯度。这表明轧制态应变传递路径为Al→Ti，即Al₃₀₀₃先发生局部化，随后通过界面剪切耦合传递至强度较高的TA1层。经550 °C退火30 min后，在0.5-3.0%宏观应变阶段，高ε_yy区主要位于Ti侧；15.0-20.0%时应变等高线逐渐向Al层弯曲，高应变带从Ti侧向Al侧扩展，故应变传递路径为Ti→Al。该反转不能简单归因于某一单层强度的降低，而是与Al层完全再结晶后变形更均匀、TA1侧残余拉应力与外加应力叠加促进局部屈服、以及TiAl₃界面层改变局部刚度和剪切传递有关。

**3.5 残余应力重分布与原子级界面结构**

钻孔法测量显示，30 min退火并未单纯消除残余应力，而是在Ti层和Al层沿厚度方向重新分布了拉/压应力梯度，这可能改变局部屈服顺序。轧制态界面为无连续反应层的直接Ti/Al非共格界面，存在机械互锁和局部冶金结合。30 min退火后，界面转变为Ti/TiAl₃/Al复合界面；TiAl₃层与两侧基体均存在晶格失配和局部畸变，形成半共格或局部共格的TiAl₃/Al界面。该反应层虽尚未显著降低界面剪切强度，但改变了局部界面刚度、残余应力分布及应变协调条件。

**四、讨论总结**

路径反转的耦合成因包括三个方面：其一，退火引起Ti/Al两层不对称的回复/再结晶——Al层完全再结晶且KAM降至0.101，变形更均匀，而Ti层仅16.0%再结晶且KAM仍为0.246，局部更易形成高应变集中；其二，残余应力空间重分布，Ti侧局部残余拉应力与外加应力叠加可促发早期局部屈服；其三，TiAl₃界面层的形成改变了界面局部刚度和剪切传递模式。短时退火（30 min）在保持约127 MPa界面剪切强度的同时将伸长率提升至约32%，有利于跨界面应变再分配；而过长退火则导致Al层粗化和界面结合弱化，不利于稳定的跨界面应变协调。对于60-120 min条件，由于缺乏直接DIC数据，传递方向未被直接测定。

**五、研究结论**

(1) EBSD和KAM分析揭示了退火过程中显著的层依赖性微观组织响应。轧制态复合板中TA1层保留大量LAGBs、亚结构和较高的KAM值(0.338)，而Al₃₀₀₃层主要以再结晶为主。经550 °C退火30 min后，TA1和Al₃₀₀₃层的KAM值分别降至0.246和0.101，表明Al₃₀₀₃层比TA1层发生更显著的回复/再结晶软化。

(2) 轧制态与30 min退火态试样的原位DIC直接对比揭示了主导应变传递路径的反转。轧制态试样中，高ε_yy区首先在Al₃₀₀₃侧形成并向TA1侧扩展(Al→Ti)；退火30 min后，高ε_yy区首先出现在TA1侧并向Al₃₀₀₃侧传播(Ti→Al)。60-120 min条件未赋予经DIC验证的传递方向。

(3) 观察到的路径反转既非应力/应变符号的反转，也非色标伪影。其定义依据高应变区的起始层、界面应变梯度方向和传播路径。跨界面传播也可视为应变去局部化过程，因为当界面结合足够强时，起源于一层的集中变形会被再分配到相邻层。

(4) 路径反转与不对称回复/再结晶、残余应力空间重分布和TiAl₃界面层形成的综合贡献相关。短时退火在保持约127 MPa表观界面剪切强度的同时改善了塑性，而过长退火则使Al层粗化并降低界面剪切强度。60 min后KAM值的重新升高被谨慎地解释为不均匀取向场，热膨胀失配可能提供广泛贡献，而界面约束/反应放大近界面分量。

(5) 550 °C/30 min条件是本层状板材中平衡塑性与界面完整性的有效加工状态。Ti→Al传递模式可在Ti侧局部化后通过延性Al层实现应变再分配，而Al→Ti传递则有利于向强度较高的Ti层分担载荷。其对疲劳抗力、损伤容限或成形性能的潜在益处尚需通过专门的循环加载和成形实验加以验证。