近α型Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si钛合金在不同退火温度和冷却速率下的显微组织演变与力学性能

《Materials Science and Engineering: A》：Microstructural evolution and mechanical properties of near-α Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si titanium alloy under various annealing temperatures and cooling rates

　　

# 摘要

本研究系统探究了退火温度与冷却速率对Ti-5111合金微观组织及力学性能的影响。结果表明，随着退火温度的升高，合金的微观组织逐渐从以等轴初生α（αp）相为主并含有少量转变β相的组织，演变为由等轴αp相和片层状二次α（αs）相组成的双相组织。当退火温度超过β转变温度时，αp相完全溶解，αs相粗化并形成完整的片层状篮织组织。与此同时，晶内缺陷逐渐消除，小角度晶界比例下降，大角度晶界比例上升。力学性能方面，合金的强度随退火温度的升高整体下降，但在约985°C时因超细篮织组织的形成出现轻微回升。断后延伸率和冲击韧性先升高后降低，分别在945°C时达到峰值21.5%和62 J。随着冷却速率的降低，αp晶粒显著粗化长大，αs片层同步粗化并相互连接，相界面密度降低，导致强度和韧性持续下降。通过945°C退火1 h后进行空冷，可获得均匀稳定的双相组织，从而实现高强度、优异塑性和出色冲击韧性的协同匹配。

# 引言

钛合金因其高比强度、优异的耐腐蚀性、无磁性和卓越的抗冲击性能，已成为高端海洋设备的关键结构材料，包括现代船体、潜艇耐压壳体、舰载通信桅杆、深海浮标和水下无人载具（UUVs）[1], [2]。在各种钛合金体系中，近α钛合金在海洋环境中具有优异的韧性、可焊性和服役稳定性，同时保持相对较高的强度，是海军装备轻量化、长寿命和高可靠性发展的核心材料支撑[3], [4]。

Ti-5Al-1V-1Sn-1Zr-0.8Mo-0.1Si（Ti-5111）是美国海军开发的海洋应用近α钛合金，旨在作为Ti-6211和Ti-100合金的低成本替代材料[5], [6]。该合金采用Al、V、Mo、Sn、Zr和Si的多元素协同合金化设计，通过精确控制元素配比和相组成，在强度、低温韧性、海水耐腐蚀性和制造成本之间实现了优异的综合平衡，使其成为船舶、深海设备和海洋工程结构的理想结构材料[7], [8]。

近α钛合金的力学性能对初生α（αp）相的体积分数、晶粒尺寸、二次α（αs）片层的形态以及晶界特征高度敏感。热处理是精确调控上述微观组织参数的有效途径[9], [10]。具体而言，退火温度直接决定了α?β转变的程度和相分数；冷却速率控制β→α转变的动力学行为，从而控制αs片层的厚度、变体集束尺寸、界面密度以及晶界α（αGB）的连续性。这两个因素共同决定了合金的强度、延展性和冲击韧性[11]。

目前，关于近α钛合金热处理–微观组织–性能关系的研究大多集中在常规成熟合金体系上，代表合金包括Ti6321、Ti-6211、Ti-6242和TA15。例如，在近α Ti6321合金中，双相组织中的等轴αp相有效承载塑性变形并提高均匀延伸率，而片层状组织通过α变体集束偏折、分叉和裂纹桥接机制显著提高了抗疲劳裂纹扩展能力和断裂韧性[12], [13]。对于近α Ti-6211合金，通过控制热变形参数和冷却速率实现α片层球化及晶粒细化，其微观组织演变直接主导拉伸性能和疲劳裂纹扩展行为[14], [15]。在近α Ti60合金中，退火处理调控αp相的形态和体积分数，进而显著改变拉伸性能和潜在的塑性变形机制[16]。此外，测试温度对Ti60合金的断裂韧性具有显著影响，断裂机制的变化与微观组织的演变密切相关[17]。对于Ti-6242合金，采用固溶-时效处理精确调控α片层厚度、界面密度和晶界连续性，从而优化高温持久性能[18], [19]。特别是针对TA15合金的研究证实，退火温度决定αp相的体积分数和合金的相区，而冷却速率调控αs片层厚度和断裂模式。然而，目前针对TA15合金的大部分研究仅采用空冷作为固定冷却方案，涵盖不同冷却路线的对比实验仍然稀缺[20], [21], [22]。

综上所述，现有针对常规近α钛合金的研究已系统阐明了退火温度和冷却速率对αp形态、αs片层特征及宏观力学性能的调控机制，并论述了其本质的强化和增韧机制。尽管以往研究采用了多样化的退火温度条件，但大多数实验仅限于离散的温度点而非连续梯度设计，且大多数情况下仅采用单一固定的冷却方案。尚未建立系统性的对比框架来区分连续退火和可变冷却速率的耦合效应。

然而，针对海洋用近α Ti-5111钛合金热处理微观组织-性能关系的系统研究仍然不足且不够系统[23], [24]。Been等人仅采用空冷来评估冷轧Ti-5111紧固件的力学性能和海水腐蚀性能，忽略了冷却速率对微观组织特征和力学行为的梯度调控效应[25]。美国海军对锻制和铸造Ti-5111合金进行了对比测试，但仅设计了两种离散的热处理路线（843°C慢冷和1010°C超β快冷）。尽管超β快冷被证实可以细化针状α板条并改善强度-韧性匹配，但缺乏连续退火梯度和多冷却实验框架限制了温度-冷却协同调控机制的全面理解[26]。Liu等人仅通过退火后空冷制备了等轴、双相和完全片层状Ti-5111微观组织并分析了对应的性能变化，但完全忽略了冷却速率对微观组织演变和强度-韧性平衡的耦合影响[7]。Robinson的博士论文侧重于铸造Ti-5111合金的热处理和铸造工艺，仅将锻制Ti-5111合金作为简单的参考样品，未对锻制Ti-5111的热处理调控行为进行系统探索[27]。

除了对Ti-5111基体金属的研究外，关于Ti-5111焊接接头的热处理研究远远更加不足，现有焊样退火规则无法支持温度-冷却耦合微观组织演变的系统分析。Nimer等人采用微拉伸试验结合电子背散射衍射（EBSD）分析表征了异质焊缝微观组织，发现超β焊接加热在搅拌区产生超细再结晶β晶粒，导致显微硬度增加12%。然而，该研究仅关注焊接后状态，未进行任何焊后退火处理[28]。Pao等人对比了Ti-5111接头经单次应力消除退火与焊接后状态样品的性能，验证了搅拌区细晶粒和残余应力协同控制疲劳裂纹扩展，但仍缺乏多温度和多彩冷速率焊后退火的系统研究[29]。Knipling等人仅分析了各焊接区域的微观组织演变和织构特征，而焊后退火的调控机制仍未得到探索[30], [31]。总之，当前焊接相关研究缺乏全面的多条件退火框架，这阻碍了对热处理Ti-5111合金微观组织-性能演变的彻底阐明。

总体而言，所有现有的涵盖基体金属和焊接接头的Ti-5111合金研究仅采用孤立的退火温度或单一冷却方案，未构建整合连续退火梯度和多梯度冷却路线的综合实验体系。大多数以往工作仅依赖空冷处理，缺乏多尺度EBSD和透射电子显微镜（TEM）联合表征。因此，无法系统揭示温度-冷却耦合条件下的连续微观组织演变、晶界错配变化以及裂纹扩展行为。此外，若干核心科学争议仍未解决，包括β转变温度附近的强度回升机制、双相组织的最优强度-塑性匹配以及完全片层结构的本征脆性来源。这些研究瓶颈严重限制了Ti-5111合金在海洋结构件中的精确微观组织和性能控制。

在本工作中，全面研究了退火温度（650至1035°C）和不同冷却方式（水冷WC、空冷AC、炉内风扇冷却FFC和炉内慢冷SFC）的耦合影响，系统考察了Ti-5111合金的微观组织形态、相组成、晶界特征、室温拉伸性能、冲击韧性、断口形貌和裂纹扩展行为。重点阐明了退火温度和冷却速率对微观组织演变的协同调控机制，揭示了强度、延展性和冲击韧性的演变机制。此外，确定了平衡高强度和优异韧性的最优热处理窗口。本研究为Ti-5111合金构建了整合全尺度退火和多梯度冷却的完整实验框架，填补了温度-冷却协同控制机制的研究空白，并阐释了β转变温度附近力学性能波动的根本原因。本研究结果可为Ti-5111合金的海洋工程应用提供坚实的理论支撑。

## 实验材料

本研究采用尺寸为120 mm × 200 mm × 300 mm的锻造Ti-5111合金板材。名义成分（wt.%）为5.0 Al、1.0 V、1.0 Sn、1.0 Zr、0.8 Mo、0.1 Si，余量为Ti。合金的实测化学成分见表1。Ti-5111合金的β转变温度通过差示扫描量热法（DSC），使用METTLER TGA/DSC1同步热分析仪精确测定。DSC测量在恒定加热速率下进行。

## 锻态微观组织

图3展示了不同放大倍率下锻态Ti-5111钛合金的微观组织。OM观察（图3a、b）表明，锻造合金呈现典型的双相组织，由均匀分布的等轴αp晶粒（尺寸为10–20 μm）和晶间转变β（βtrans）区域组成。SEM图像（图3c、d）进一步证实，βtrans区域由厚度为0.2–0.5 μm的针状αs相组成，这些αs相在转变β区内形核并生长。

## 退火温度对微观组织的影响

Ti-5111合金的微观组织演变受相平衡热力学和β→α相变动力学的耦合效应共同控制[32], [33]。随着退火温度的升高，微观组织逐渐从以等轴αp晶粒为主的单相组织转变为双相组织，最终演变为完全片层状篮织组织。相应地，在β转变温度以下，α相总分数呈现持续下降趋势。

## 结论

(1) 随着退火温度的升高，Ti-5111合金的微观组织从等轴组织连续演变为双相组织，再演变为完全片层状篮织组织。αp相逐渐溶解直至随温度升高而完全消失，αs片层尺寸持续增大。这一系统的微观组织演变规律阐明了近α海洋钛合金的温度依赖性相变机制。

## CRediT作者贡献声明

王广龙：可视化、实验调研。苏杰：实验调研、资金获取。OMES DZMITRY：方法论、数据整理。李金贤：验证、方法论。杨志军：写作–审阅与编辑、写作–初稿、验证、资源、项目管理、方法论、实验调研、数据整理、概念化。杨松：实验调研、数据整理。李钟琴：方法论、数据整理。丁鹏：验证、实验调研。侯树森：验证。

## 利益冲突声明

作者声明，不存在可能影响本论文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

## 利益冲突声明

? 作者声明，不存在可能影响本论文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

## 致谢

本研究得到河南省自然科学基金（编号：252300421938）和河南省重点专项研发攻关项目（编号：262102521043, 252102520006）的资助。

杨志军 | 李金贤 | OMES DZMITRY | 苏杰 | 侯树森 | 丁鹏 | 李钟琴 | 杨松 | 张杰 | 曹俊辉 | 王广龙
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