《Results in Engineering》：Flow behavior and microstructure evolution of Ti175 alloy during hot deformation
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为解决Ti175钛合金热加工窗口窄、微观结构控制难的问题，研究人员系统开展了其在900-980°C、0.001-1 s-1条件下的热压缩行为研究。通过建立应变补偿Arrhenius本构模型（R2=0.9655），准确预测了流变应力，并揭示了应变率主导动态再结晶（DRX）程度、温度通过调控β相分数影响再结晶晶粒等轴化与尺寸的规律。研究进一步识别出“变形诱导α相稳定化”现象及其双机制，为Ti175合金微观结构的精确控制提供了理论基础。
钛合金因其优异的比强度、耐腐蚀性和高温力学性能，在航空航天、海洋工程及生物医疗等领域扮演着不可替代的角色。其中，Ti175合金作为一种高性能双相钛合金，以其高强度、优良的淬透性和卓越的疲劳性能受到广泛关注。该合金的力学性能和微观结构特征主要取决于其热机械加工历史，这一过程涉及变形参数与相变过程之间的复杂耦合。然而，双相钛合金的热加工窗口相对较窄，其流动行为对变形温度、应变率和总应变等工艺参数高度敏感。因此，理解Ti175合金的热变形行为及其背后的机制，如动态回复（DRV）和动态再结晶（DRX），对于优化工艺参数、避免流动局部化或开裂等缺陷至关重要。
为了深入揭示Ti175合金在高温区的热变形行为，研究人员通过热压缩实验，系统研究了该合金在900-980°C温度范围和0.001-1 s-1应变率范围内的流动特性、微观结构演变和织构发展。研究表明，其真应力-真应变曲线表现出典型的DRX行为：变形初期，流变应力因位错密度急剧升高而迅速增加，产生显著的加工硬化；当应变超过临界值后，应力开始下降，表明DRX等软化机制被激活；最终，加工硬化与软化之间建立动态平衡，流变应力在变形后期趋于稳定。峰值应力对变形参数高度敏感，例如，在0.01 s-1的应变率下，变形温度从900°C升高至980°C时，峰值应力从57 MPa急剧下降至20 MPa，降幅约65%。而在900°C下，应变率从0.001 s-1增加到1 s-1时，峰值应力从32 MPa大幅上升至112 MPa，增加了3.5倍。这直接反映了Ti175合金的流动行为对应变率的强依赖性。
研究人员建立了应变补偿的阿伦尼乌斯本构模型来定量描述流变应力与变形参数的关系。通过逐步计算，确定了Ti175合金在实验条件下的完整材料参数为：α = 0.0232，n = 3.5348，Q = 607.2422 kJ/mol，A = 2.718 × 1024。据此，Ti175合金的双曲正弦型阿伦尼乌斯本构方程可完整表达。该模型表现出高预测精度（R2 = 0.9655，平均绝对相对误差AARE = 11.17%），相对较高的激活能表明变形受位错攀移和相界迁移等多种机制控制。
为了开展此项研究，作者运用了几项关键技术方法。实验材料为Ti-6.5Al-4Mo-3.6Zr-2Sn-1.2W-0.2Si的Ti175钛合金锻坯。采用Gleeble-3500热模拟机进行等温单轴压缩试验，变形温度设为900°C、940°C和980°C，应变率设为0.001 s-1、0.01 s-1、0.1 s-1和1 s-1，总真应变为0.9。变形后试样立即水淬以保留高温微观结构。利用扫描电子显微镜（SEM）的背散射电子（BSE）模式进行微观结构分析，并采用步长为0.2 μm的电子背散射衍射（EBSD）分析研究晶粒取向、晶界误取向和再结晶行为。通过应变补偿Arrhenius模型构建了本构关系，并引入Zener-Hollomon参数Z来综合表征温度和应变率的耦合效应。
3.1. 初始微观结构
Ti175合金的原始微观结构显示其呈现典型的等轴α晶粒结构，晶界清晰连续。晶粒尺寸分布相对均匀，仅沿部分晶界发现少量β相。反极图显示晶粒形状规则，取向分布随机，无显著择优取向。定量分析表明α相体积分数为99.7%，β相仅占0.3%，平均晶粒尺寸约为7.02 μm。极图分析显示初始状态合金呈现中等强度、相对随机的织构特征，为后续研究其热变形行为提供了清晰的结构参照。
3.2. 真应力-真应变曲线
真应力-真应变曲线显示出典型的DRX行为。峰值应力对变形参数高度敏感，温度升高或应变率降低均导致峰值应力下降。这表明温度通过增强热激活过程（加速位错滑移和攀移，提高α/β相界迁移率和合金元素扩散速率）来降低变形抗力；而应变率则通过控制变形时间尺度上的竞争关系影响流动行为，高应变率下位错增殖速率超过通过回复或再结晶的位错湮灭速率，导致位错缠结和塞积，使加工硬化成为主导变形机制。
3.3. 本构方程
通过应用双曲正弦阿伦尼乌斯模型，建立了Ti175合金流变应力与变形参数之间的定量关系。确定了材料常数（α, n, Q, A），并引入了考虑温度和应变率综合效应的Zener-Hollomon参数Z。通过拟合ln[sinh(ασ)]与lnZ的关系，线性回归得到截距lnA ≈ 56.1662，从而计算出A值。最终建立了高精度的应变补偿本构模型。
3.4. 应变补偿分析与模型验证
分析了材料常数（α, n, Q, lnA）随应变的演变趋势。α的持续增加表明流变应力对温度的敏感性在变形过程中逐渐增强。应力指数n先减小后增大，揭示了主导变形机制的转变。高应变下Q值的显著降低表明热激活势垒变低，利于后期变形。lnA急剧下降后趋于稳定，反映材料内部微观结构在快速调整后达到动态平衡。这些参数的协同变化表明，随着应变增加，动态软化效应逐渐增强并最终主导流动行为。采用应变补偿方法有效避免了高阶多项式拟合可能存在的过拟合和数值不稳定性问题。预测曲线与实验曲线吻合良好，预测值与实验值之间的相关性显示出极好的一致性。
3.5. 应变率对微观结构演变机制的影响
在固定变形温度900°C下，应变率通过调节位错增殖与湮灭之间的动力学平衡，控制了DRX的类型和Ti175合金的微观结构演变。
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3.5.1. 应变率作用下的动态再结晶机制：在0.001 s-1的极低应变率下，充分的热激活时间使得广泛的动态回复（DRV）得以进行，形成大量亚晶，但难以触发广泛的DRX形核，导致伸长晶粒形态保留。当应变率增至0.01 s-1时，位错增殖率与热激活软化达到最佳平衡，DDRX过程活跃，形成细小、均匀的再结晶组织。应变率升高至1 s-1时，极短的变形时间严重抑制了依赖晶界迁移的DDRX过程，微观组织主要由几何动态再结晶（GDRX）和局部连续动态再结晶（CDRX）混合机制控制，导致不均匀的混合结构。
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3.5.2. 以滑移和再结晶为主导的织构演变：应变率通过调节DRX与DRV之间的竞争，显著影响α相的织构演变。在低应变率（0.001 s-1）下，形成典型的强基面织构。应变率增至0.01 s-1时，织构强度达到峰值并更加尖锐。应变率进一步增至1 s-1时，织构强度恢复并呈现更复杂的混合织构特征。
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3.5.3. 应变率驱动的非平衡相变：在900°C下，α相体积分数并未随应变率单调变化，而是在0.01 s-1和1 s-1出现异常峰值（约75%）。在低应变率区，充分的变形时间和动力学条件允许合金元素充分扩散，且DRX产生的大量高位错角晶界为α相提供了有利形核位置。在中等应变率（0.1 s-1）下，变形时间减少阻碍合金元素长程扩散，抑制α相形成。在高应变率（1 s-1）下，位错增殖率远超过湮灭率，缺陷广泛积累，储存能急剧增加，这种储存能有效降低体系总自由能，热力学上扩大了α相的稳定范围，诱发“机械稳定化”效应。
3.6. 变形温度对微观结构演变机制的影响
在固定应变率0.01 s-1下，变形温度通过调节再结晶驱动力和晶界迁移率，严重影响DRX行为。
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3.6.1. 随温度变化的动态再结晶机制：温度升高至940°C时，IPF图显示完全等轴的微观结构，形成均匀细小的完全再结晶组织。此时，热激活能提供足够的DRX驱动力，且约16.4%的β相沿晶界分布，产生显著的齐纳钉扎效应，防止晶粒过度长大。当温度进一步升至980°C时，极高的热激活能使DRV和CDRX成为主导软化机制，虽然形成高比例HAGBs，但过程空间不均匀，且β相含量急剧减少导致齐纳钉扎效应消失，形成混晶组织。
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3.6.2. 织构随温度演变的机制：在940°C变形时，极图呈现明显的织构弱化现象，这与DRX的随机化效应密切相关。当温度升至980°C时，织构特征发生根本变化，取向集中度急剧增加，形成强基面织构。
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3.6.3. 温度诱导的非平衡相变：在0.01 s-1应变率下，900-980°C温度范围内，Ti175合金的相组成变化与平衡相图预测相反，β相体积分数随温度升高而急剧下降。在940°C，DRX过程高度活跃，消耗了大量本可作为α→β相变驱动力的储存能，限制了β相含量的增加。在980°C，DRV和CDRX构成了高效的储存变形能耗散途径，显著降低了驱动α→β相变的动能，表现出“动力学抑制”的α相稳定化效应。
研究结论表明，Ti175合金的热变形具有显著DRX特征，建立的应变补偿Arrhenius模型精度高。微观结构演变受热机械参数协同调控，以微观结构均匀性为优化目标，确定最佳工艺窗口为940°C和0.01 s-1。非平衡相变机制得以阐明：高应变率下表现为热力学稳定化，而高温下表现为动力学抑制。这些发现超越了传统平衡相图的预测，为精确控制微观结构提供了理论基础。该研究明晰了热机械参数如何以非平衡方式影响相变路径，为Ti175合金的微观结构精确控制奠定了理论基础。
