通过引入亚晶界来调整α相的析出行为，从而显著提高高强度亚稳态β钛合金的延展性

《Journal of Alloys and Compounds》：Tuning α s precipitation behavior via introducing sub-grain boundaries to significantly enhance the ductility of a high-strength metastable β titanium alloy

通过热加工与双阶段时效处理协同作用，在Ti-4Al-5Mo-5V-5.5Cr-1Nb合金中实现了亚晶界与低角晶界的均匀分布，促进ω相介导的纳米级αs相同时在晶界和晶内析出，显著提升合金的强度与延展性至1648 MPa和7.1%的优异组合。

　　

刘乐亮|孙巧燕|刘继雄|王晓翔|孙军

中国西安交通大学材料力学行为国家重点实验室，西安，710049

摘要

为了解决高强度亚稳态β钛合金的脆性问题，本文采用了一种结合热轧和双阶段时效处理的新热机械加工方法，用于Ti-4Al-5Mo-5V-5.5Cr-1Nb合金。通过热轧与双阶段时效处理的结合，引入了大量亚晶界和低角度晶界，有效分割了原有的β晶粒。同时，由于ω相和旋节分解的协同作用，使得纳米级次级α相（α_s）在晶界附近和晶粒内部均匀析出。这种均匀的微观结构成功抑制了应变局部化和晶间断裂。因此，经过处理的合金获得了高达1648 MPa的超高抗拉强度和7.1%的显著提高的延展性。这项工作为设计具有优异强度-延展性协同性的亚稳态β钛合金提供了一条新途径。

引言

由于亚稳态β钛合金具有优异的强度-重量比和良好的延展性，它们已成为现代航空航天工程中不可或缺的结构部件[1]、[2]、[3]。随着航空航天技术的不断发展，对这些合金的机械性能要求也越来越高[4]、[5]、[6]。亚稳态β钛合金的机械性能主要受其微观组织特征的控制，包括α相和β相的形态、尺寸和体积分数[7]、[8]、[9]。研究人员通过控制热机械加工和热处理参数，开发出了各种微观组织结构，如双峰组织和层状组织，以实现强度、延展性和韧性的协同提升[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。虽然层状组织通常具有较高的强度，但延展性较差[17]、[18]，而双峰组织则表现出良好的强度-延展性组合，但韧性较低[11]、[19]、[20]。这些传统微观组织通常存在固有的强度-延展性权衡。

在亚稳态β钛合金中，α相的尺寸和形态对其机械性能有重要影响[4]、[21]、[22]、[23]、[24]。通常观察到两种不同的α相形态：1) 在α+β相场锻造过程中形成的等轴初级α相（α_p），其尺寸为微米级，与β基体没有特定的取向关系[21]、[25]；2) 在时效处理过程中从亚稳态β基体中析出的层状次级α相（α_s），其尺寸为亚微米到纳米级，并与β基体保持伯格斯取向关系[21]、[26]。从沉淀强化的角度来看，减小α_s相的尺寸和层间距可以显著提高合金的强度[27]。为了细化α_s沉淀物，采用了旋节分解[28]、[29]和亚稳相辅助形核[30]、[31]、[32]、[33]、[34]等策略来调控沉淀行为。目前，亚稳相（特别是ω相）介导的α_s形核是一种简单而有效的微观结构细化方法。通过双阶段时效或在时效处理过程中控制加热速率，ω相为α_s沉淀提供了优先的形核位点，促进了元素的分配，从而增加了形核密度并有效细化了α_s[30]、[35]、[36]、[37]。尽管这种方法能够获得显著提高屈服强度的纳米级α_s沉淀物，但它同时也使断裂伸长率降低到3%以下[34]、[37]、[38]、[39]、[40]，严重限制了工程应用。这种脆化主要是由于α_s沿原有β晶界优先且粗大地沉淀，形成了连续的软晶界α膜。晶界与晶粒内部的显著微观结构差异导致变形过程中严重的应变局部化和晶间断裂，从根本上限制了这些高强度合金的工程应用。引入微米级的等轴α_p相可能通过增强应变适应能力来缓解这种强度-延展性不平衡。然而，α_p相的存在增加了亚稳态β基体的稳定性，抑制了ω相的形成，从而阻碍了精细α_s相的沉淀。此外，亚稳态β相体积分数的减少降低了时效过程中的总沉淀量，从而限制了合金的强化效果。因此，开发一种新的加工策略，能够在避免晶间脆化的同时实现α_s沉淀的均匀细化，对于打破亚稳态β钛合金的强度-延展性权衡至关重要。

在这项工作中，我们提出并验证了一种针对Ti–4Al–5Mo–5V–5.5Cr–1Nb合金的新热机械加工方法。该方法包括热轧以引入大量亚晶界和位错，随后进行双阶段时效处理。我们证明了这一过程成功地结合了ω相的形成和旋节分解以及引入的亚微观结构。这种协同作用使得纳米级α_s在晶界附近和晶粒内部均匀沉淀。由此产生的均匀微观结构有效抑制了应变局部化和晶间断裂，获得了高达1648 MPa的超高抗拉强度和7.1%的显著提高的延展性。所提出的方法为优化亚稳态β钛合金的机械性能提供了一个通用框架。

实验程序

本实验使用了直径为400毫米的Ti-4Al-5Mo-5V-5.5Cr-1Nb合金棒材。表1提供了从热轧材料中测得的实际成分。根据EN 3684标准，通过金相分析确定该合金的β转变温度（T_β）为800 ± 5°C。使用电火花线切割从原始锻造棒材中切出了一个尺寸为80毫米×30毫米×14毫米的矩形块。将切出的块材在790℃下保温30分钟以减少初级α相

时效试样的微观结构

图2展示了经过不同热处理工艺的试样的扫描电子显微镜（SEM）微观结构。CGDA试样表现出独特的微观特征，如图2(a)和(b)所示。低倍观察显示，在晶界附近有粗大的次级α相沉淀（区域Ⅰ），而在晶粒内部有细小的次级α相沉淀（区域Ⅱ），这与之前关于ω相辅助形核细化的研究结果一致

RDA试样的微观结构演变和强化机制

根据上述实验结果，RDA试样在热机械加工和热处理过程中的微观结构演变可以如图14所示的示意图来描述。热轧后，样品由变形的β晶粒和初级α相组成，基体上同时出现了由旋节分解引起的条纹。此外，还观察到了亚晶界，这些亚晶界有效地分割了亚稳态β基体。

结论

• (1)
  通过热轧和双阶段时效处理实现了优异的强度-延展性平衡。RDA试样获得了高达1648 MPa的超高强度和7.1%的延展性。与CGDA试样相比，RDA试样的延展性提高了两倍多（从1.8%增加到7.1%），而强度没有下降。
• (2)
  通过热机械加工引入了大量亚晶界和低角度晶界，有效

CRediT作者贡献声明

刘继雄：指导。 孙军：指导。 王晓翔：指导。 孙巧燕：撰写 – 审稿与编辑，指导，资金获取。 刘乐亮：撰写 – 原稿，可视化，方法学，数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了西安交通大学-陕西有色金属控股集团有限公司研究院工业创新专项基金和中国国家自然科学基金（52595631）的支持。作者衷心感谢西安交通大学仪器分析中心的任子军工程师和乔莉在微观结构观察方面提供的帮助。刘乐亮还要感谢郭胜武的帮助