研究了Ti-4Al-2.5V-1.5Fe合金在α+β相区经过重温轧处理后进行退火处理时，其微观结构演变及力学性能的变化

《Journal of Alloys and Compounds》：Study on microstructure evolution and mechanical property on the Ti-4Al-2.5V-1.5Fe alloy by heavy warm rolling in the α+β field followed by annealing

本研究采用低成本钛合金Ti-4Al-2.5V-1.5Fe为对象，通过重温轧制引入高密度位错，随后在600-900℃退火处理，形成纳米级β相，显著提升合金强度与延展性协同性能。

　　

吴晓峰|王守才|卢尧|马硕|傅黎明|单艾堂

上海交通大学材料科学与工程学院，东川路800号，上海200240，中国

摘要

随着钛合金行业的快速发展，低成本钛合金受到了越来越多的关注。本研究选取了一种典型的低成本Ti-4Al-2.5V-1.5Fe合金作为实验材料。该合金在α+β相区域进行了重温轧处理，随后分别在600℃、700℃、800℃、850℃和900℃下进行1小时的退火处理。热力学计算表明，重温轧处理在α相中引入了大量的位错，增加了其自由能并降低了相变温度。在随后的退火过程中，特别是在800℃时，大量细小的纳米级β相颗粒从α相基体中析出，同时提高了合金的强度和延展性。这些纳米β相在拉伸变形过程中起到了持续的工作硬化作用，从而为低成本Ti-4Al-2.5V-1.5Fe合金赋予了优异的强度-延展性协同效应。本研究的结果为其他α+β钛合金的同步强化和增韧提供了新的策略。

引言

随着钛合金行业的快速发展，低成本钛合金的设计受到了越来越多的关注。低成本钛合金的设计策略是使用更经济的元素（如铁（Fe）来替代昂贵的合金元素（如钒（V）和钼（Mo））。铁被认为是一种强β稳定元素，不仅具有明显的固溶强化效果，还能显著降低相变温度[1]、[2]。Ti-4Al-2.5V-1.5Fe合金是由美国Wah Chang公司开发的一种代表性产品[2]。与广泛使用的Ti-6Al-4V合金相比，Ti-4Al-2.5V-1.5Fe合金的生产成本显著降低，使其成为军用装甲板应用的理想候选材料。然而，关于该合金的强化和增韧机制的研究仍然有限。这种合金的典型双相微观结构使其抗拉强度在约827 MPa到965 MPa之间，屈服强度在758 MPa到896 MPa之间，断裂伸长率在6%到16%之间[3]、[4]。作为一种典型的α+β双相钛合金，其室温下的机械性能主要受到其较低的工作硬化能力限制。在金属强化机制方面，晶界（GBs）和相界（PBs）等晶体缺陷可以有效提高合金强度而不牺牲延展性。另一方面，位错强化虽然能显著提高多晶合金的强度，但往往会降低延展性。例如，严重的塑性变形（SPD）技术可以将晶粒尺寸细化到纳米级别，引入大量位错，从而实现超高的强度（抗拉强度约1500 MPa）；然而，断裂伸长率可能降至约3%[5]、[6]。为了解决这一权衡问题，通常采用变形后的退火处理来降低位错密度并恢复延展性，以实现强度和塑性的良好平衡。然而，传统的SPD技术往往存在处理步骤复杂、样品尺寸小以及工业应用可扩展性有限的缺点[7]。

作为制造钛合金板的成熟且可扩展的技术，轧制逐渐与大规模工业生产相适应。传统的钛合金轧制工艺主要包括在β单相区域进行热轧和在室温下进行冷轧[8]、[9]。然而，热轧在塑性变形过程中常常会引起动态回复或再结晶，从而抵消了位错积累带来的强化效果；而冷轧则总是伴随着较高的变形抗力。这对于具有六方密排（HCP）结构的合金（如α-钛、镁合金和锆合金）尤其成问题，因为在室温下这些合金的独立滑移系统有限，导致变形时更容易开裂[10]。相比之下，在α+β双相区域进行热机械变形可以克服传统热轧和冷轧的局限性。在适当升高的温度下，动态回复和再结晶受到抑制，能够在保持高密度变形诱导位错的同时实现大的塑性变形。这种微观结构有利于晶粒细化和位错强化，从而在强度和延展性之间达到理想的平衡。例如，Ti-6Al-4V合金在650℃下经过90%的轧减处理后，其抗拉强度达到1366 MPa，断裂伸长率为8.2%[9]。同样，当完全马氏体的Ti-6Al-4V合金在700℃下经过70%的轧减处理后，可以获得平均晶粒尺寸在110至230 nm之间的超细晶粒结构，室温下的抗拉强度为1365 MPa，伸长率约为20%[8]、[11]。尽管取得了这些有希望的结果，但研究表明，通过重温轧处理制备的超细α+β钛合金在拉伸变形过程中通常表现出有限的工作硬化能力。虽然实现了高强度和可接受的断裂伸长率，但这些合金的均匀伸长率较低，从而增加了服役条件下的早期失效风险。

最近的研究表明，引入相干纳米级沉淀物可以显著提高合金的强度，并在变形过程中保持持续的工作硬化效果。张崇乐等人通过分解纳米马氏体设计了一种层次有序的相干相界（PBs）界面结构。这些微米级的PBs既作为丰富的位错源，又起到障碍作用，促进了持续位错生成和动态自硬化，从而实现了卓越的强度和韧性[12]。贾彦迪等人采用两步时效处理激活了ω辅助的α相成核。这一过程在纳米尺度上产生了高度异质的超细α相层状结构。第一性原理计算和相场模拟表明，溶质在等温ω颗粒和超细α层状结构之间的分配降低了α相在β基体中的成核驱动力，促进了精细微观结构的形成[13]。在另一项研究中，近α钛合金（Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si，或Ti65）在700℃下时效4小时后，形成了α基体中的球形和界面硅化物沉淀物。在非连续层状界面处共沉淀的相干硅化物（如(TiZr)?Si和Ti?Al）提高了合金的强度和延展性[14]。此外，在其他近α钛合金的α+β相场内进行的时效处理也导致了多形态、有序的Ti?Al颗粒在α晶粒中的沉淀。这些颗粒与α基体具有相干界面，通过阻碍位错穿过相界界面来显著增强合金的强度[15~17]。

本研究选取了新型Ti-4Al-2.5V-1.5Fe合金作为实验材料。热力学计算表明，重温轧处理显著增加了α相的应变能，导致其自由能整体上升，从而降低了α→β相变温度。在随后的退火过程中，具有较高自由能的亚稳态α相发生了相变。α相中大量的轧制诱导位错为异质成核提供了丰富的位点，进一步促进了纳米级β相的析出。这些纳米级β相在等轴α晶粒内均匀析出。这种微观结构演变使合金在室温拉伸变形过程中保持了高强度，并表现出持续的工作硬化行为。因此，合金的延展性显著提高，实现了强度和延展性的理想结合。

材料与实验方法

本研究中的轧制过程如图1(a)所示。在重温轧处理之前，初始厚度为25 mm的样品被加热到1050℃并保持30分钟，以确保形成完全的β相微观结构。随后，样品被空气冷却至700℃。由于β→α相变是一个典型的扩散控制过程，高温下的β相在冷却至700℃时并未完全转变。这种保留的β相赋予了优异的塑性变形能力

结果

如图2(a)所示，不同温度下退火样品的X射线衍射（XRD）图谱表明，微观结构主要由α相组成，β相为次要成分。图2(b)的放大视图显示，随着退火温度的升高，(110)β衍射峰逐渐向较低角度移动。这种向左的移动表明β相的晶格参数增加，这是由于α相和β相之间的溶质分配所致

纳米β相的析出

本研究中最值得注意的结果之一是随着退火温度的变化，微观结构发生了显著演变。上述实验结果表明，在相对较低的退火温度（600℃、700℃）下，α基体上只有一些局部白点区域。如图3(c2)所示，这些局部白点区域可以被认为是纳米级β相形成的前驱体。先前的研究也发现了类似的实验现象。

结论

本文对低成本Ti-4Al-2.5V-1.5Fe合金进行了重温轧处理，并对其在600℃、700℃、800℃、850℃、900℃下退火1小时后的微观结构演变进行了表征和分析，系统研究了退火合金的机械性能，结论总结如下：

• 1.
  经过重温轧处理的低成本Ti-4Al-2.5V-1.5Fe合金，在600~900℃下退火后的微观结构由α相、β相和纳米级β相组成

未引用的参考文献

[32]

CRediT作者贡献声明

吴晓峰：概念化、方法论、软件开发、数据管理、原始稿件撰写。王守才：监督、项目管理、数据管理。傅黎明：监督、项目管理、数据管理。马硕：研究、数据分析、验证。单艾堂：研究、资源提供、数据管理。

CRediT作者贡献声明

傅黎明：验证、监督、概念化。王守才：验证、监督、资金筹集。马硕：验证、监督、概念化。单艾堂：验证、监督、概念化。吴晓峰：原始稿件撰写、数据分析、概念化。

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