通过形成三峰显微组织实现近β钛合金的强度-塑性协同增强

《Journal of Materials Research and Technology》：Achieving enhanced strength-ductility synergy in a near-β titanium alloy through the formation of a trimodal microstructure

　　

通过中高应变速率轧制（medium-to-high strain-rate rolling）随后双级时效（duplex aging），在近β TC18钛合金中获得了由细小初生α相（primary α, α_p）、不连续晶界α相（grain-boundary α, α_g）和细小弥散分布的次生α相（secondary α, α_s）组成的三峰α显微组织（trimodal α microstructure）。在850 °C、应变速率8 s^?1、总变形量70%条件下轧制的合金具有细化的等轴α_p、不连续α_g、高密度位错亚结构和纳米尺度ω相关过渡结构，这些特征共同构成了随后双级时效的富缺陷前驱体状态（defect-rich precursor state）。该前驱体状态促进了细小α_s析出物的异质形核和均匀弥散，而保留的α_p和不连续α_g有助于变形相容性和降低晶界裂纹敏感性。因此，双级时效态TC18合金获得了屈服拉伸强度（yield tensile strength）1537 MPa、极限拉伸强度（ultimate tensile strength）1672 MPa和断裂伸长率（elongation to rupture）4.2%。本工作强调了通过前驱体状态遗传策略（precursor-state inheritance strategy）在近β钛合金中构建三峰α显微组织。

近β钛合金TC18（Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe）具有高强度、良好塑性、淬透性和焊接性，在关键结构件中应用前景广泛。然而，其强度与塑性之间的兼优平衡一直是难点。已有研究表明，α相的尺寸、形貌、面积分数和空间分布及α/β界面特性是决定强度-塑性协同的关键因素：细小弥散的次生α相提供强化，而保留的β基体和初生α相保障变形协调与塑性。传统热处理仅涉及析出调控，难以进一步改善协同；而α+β区热变形可引入位错和应变场并调整α_p/α_g形态，但其形成的富缺陷前驱体状态在后续时效中的继承和作用机制关注不足。因此，本研究探索中高应变速率轧制结合双级时效构建三峰α组织，以优化性能。研究人员对TC18合金实施850°C、8 s^?1、总压下70%的中高应变速率轧制，后进行400°C/6h+550°C/3h双级时效，成功构建由细小等轴α_p、不连续α_g和大量弥散α_s组成的三峰α显微组织。双级时效后合金屈服拉伸强度达1537 MPa、极限拉伸强度达1672 MPa、断裂伸长率4.2%，实现强度-塑性协同提升。该工作发表于《Journal of Materials Research and Technology》，提出了通过前驱体状态遗传设计高性能近β钛合金的途径。
研究方法方面，研究人员采用实际成分为Ti-5.8Al-4.7Mo-4.9V-1.1Cr-1.6Fe（质量分数）的双态TC18合金，β相变温度890±5°C。试样（40 mm×30 mm×10 mm）在850°C保温30 min后，于二辊轧机上进行三道次轧制，名义应变速率8 s^?1，总厚度压下70%，道次间850°C回炉约2 min，终轧后立即水淬。随后进行双级时效：400°C预时效6 h，550°C终时效3 h，每级后空冷。采用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜/高分辨透射电子显微镜（TEM/HRTEM）和选区电子衍射（SAED）表征微观组织与晶体学信息；用Image-Pro Plus 6.0和Nano Measure 1.2定量面积分数和尺寸；室温拉伸在Instron 3369上进行，应变速率1.25×10^?4 s^?1，每条件测试三次取平均。
3.1 Cooperative evolution of α_p and α_g in the as-rolled state（α_p与α_g在轧制态的协同演变）：OM/SEM观察表明，轧制后α_p发生明显碎化、球化和部分溶解，平均尺寸由3.3 μm降至2.5 μm，长径比由2.21降至1.55，面积分数由11.2%降至6.4%。α_g沿原始β晶界呈不连续段状分布。这种协同演变为后续时效提供了有利的形态前驱体。双级时效后，三峰组织中α_p、α_g、α_s面积分数分别约6.2%、1.7%和59.2%。
3.2 Defect-rich substructures and secondary α precipitation（富缺陷亚结构与次生α析出）：TEM明场像显示轧制态β基体中含有高密度位错和局部应变场；暗场像和SAED花样确认了纳米级ω相关结构。这些缺陷和ω相关结构在时效中降低了α_s的形核势垒，促进异质形核与均匀弥散。时效后α_s细小析出，α_p和α_g形态基本保持。
3.3 Mechanical properties and fracture behavior（力学性能与断裂行为）：拉伸结果表明，轧制态因α相减少且无α_s强化，伸长率升至13.8%，但强度下降；时效后大量α_s析出使强度大幅提高，但伸长率降至4.2%。利用Hall-Petch型关系估算α_s/β界面强化增量约685 MPa，占实测YTS增量的92.5%，表明α_s强化为主导。断裂附近TEM显示α_s发生扭折、弯曲，HRTEM显示α_s/β界面过渡区存在条纹状扰动和局部晶格畸变，说明界面有效阻碍位错运动。
讨论部分强调了三峰组织的协同机制：细小α_p和断续α_g提高变形相容性、抑制晶界连续裂纹扩展；富缺陷β基体中的α_s提供显著强化。断裂表面中心韧窝区扩大对应局部塑性变形集中，与宏观低伸长率一致。这种由中高应变速率轧制建立的缺陷富集前驱体状态，在时效中被“继承”，决定了最终α_s的析出路径与空间分布，是强度-塑性协同的关键。
结论：中高应变速率轧制后双级时效处理通过构建三峰α显微组织有效增强了近β TC18钛合金的强度-塑性协同性。850°C、应变速率8 s^?1、总压下70%的轧制导致α_p显著碎裂和细化，同时形成不连续α_g