超细晶粒使得亚稳态β-钛合金具有高强度以及独特的孪晶形成特性

《Materials Science and Engineering: A》：Ultrafine grains enable high strength and unusual twinning behaviors in metastable β-titanium alloy

超细晶钛合金的孪生机制与强化效果研究：通过两步退火处理在Ti-8.5Mo-1.3Cr-0.5Fe合金中获得平均晶粒尺寸0.81μm的超细晶结构，实现795MPa高屈服强度与23%均匀延伸率的协同优化。晶粒细化显著改变孪生行为，当晶粒尺寸<0.6μm时{332}<113>孪生被抑制，转向{112}<111>孪生与位错滑移主导的变形机制。

　　

刘凯文|韩子茹|周丽初|冯汉晨|涂一友|方凤|蒋建青|周学锋

东南大学材料科学与工程学院，南京，211189，中国

摘要

在亚稳态β-钛合金中，实现超细晶粒结构是提高强度的关键因素，但这面临重大挑战。在本研究中，我们开发了一种利用孪晶诱导塑性（TWIP）的亚稳态β-钛合金（Ti-8.5Mo-1.3Cr-0.5Fe），并通过一种新颖的两步退火方法成功获得了平均晶粒尺寸为0.81 μm的超细晶粒（UFG）结构。这种UFG合金表现出优异的屈服强度，达到795 MPa，比其粗晶粒（CG）对应合金（611 MPa）高出30%，同时保持了相似的均匀伸长率（23%）。值得注意的是，由于可移动位错的稀缺以及孪晶形成的延迟，UFG合金在屈服时出现了吕德斯带变形。这种局部变形随后通过{332}<113>孪晶的逐步激活得到稳定，从而使得吕德斯带能够稳定扩展，确保了良好的延展性。超细晶粒显著影响了亚稳态β-钛合金的孪晶行为。在CG合金中，孪晶形成模式从初级{332}<113> → 次级{332}<113> → 三级{112}<111>转变，在UFG合金中则变为初级{332}<113> → 次级{112}<111>。特别是当晶粒尺寸降至约0.6 μm的临界阈值以下时，{332}<113>孪晶完全被抑制，塑性变形机制转变为仅由{112}<111>孪晶和位错滑移主导。

引言

具有体心立方（BCC）结构的亚稳态β-钛合金表现出显著的应变硬化能力，这主要归因于孪晶诱导塑性（TWIP）和转变诱导塑性（TRIP）效应。这些效应的激活强烈依赖于β相的稳定性及其相应的变形机制。随着β相稳定剂（如Mo、Nb、Ta、V）含量的增加，主导的变形模式逐渐从α'或α″马氏体转变[1,2]转变为{332}<113>孪晶[3]或{112}<111>孪晶[4]，最终变为位错滑移[5]。其中，{332}<113>孪晶具有较高的孪晶分数和复杂的层次化孪晶结构，赋予亚稳态β-钛合金相对较高的屈服强度（YS，400-600 MPa）和较大的均匀伸长率（UE，>20%）[[[6], [7], [8], [9]]。

由于对高强度钛合金的迫切需求，人们开发了多种通过控制沉淀和晶粒尺寸来增强亚稳态β-钛合金强度的策略。通常通过时效处理获得两种沉淀物：纳米级的等温ω相（ω_iso）和针状α相。ω_iso在低温（100-400 °C）下形成，而α相则在β转变温度（T_β）以下约100 °C的温度下沉淀。这些沉淀物通过与位错的相互作用改变基体稳定性，有效将YS提高到800 MPa以上，但通常会降低应变硬化能力，导致UE低于5%[[[10], [11], [12], [13]]。晶粒细化是金属材料中一种成熟的强化机制[14]，也用于增强亚稳态合金的强度，因为机械孪晶和马氏体转变的形核和生长依赖于晶粒尺寸[[[15], [16], [17]]。Wang等人[18]在Ti-20V-2Nb-2Zr合金中通过将晶粒尺寸从28 μm减小到14 μm，使YS从475 MPa提高到565 MPa。Huang等人[19]也报告了Ti-12Mo合金中YS随晶粒尺寸的变化，晶粒细化使YS从638 MPa（104 μm）提高到719 MPa（49 μm）。这些研究证实，在变形过程中只有{332}<113>孪晶是活跃的，并且其体积分数随β晶粒尺寸的减小而减少。值得注意的是，在以往的研究中，β晶粒尺寸只能细化到微米级别（>10 μm），导致强度提升有限（<100 MPa）。β-钛合金固有的高晶粒生长指数阻碍了在单一β相区域通过常规固溶处理形成超细晶粒（UFGs，<1 μm）[20,21]。Edwards等人[22]通过逆向应力诱导α″马氏体在Ti-20Nb-6Zr合金中形成了超细晶粒（UFG）结构。但由于这种方法需要在冷轧过程中先形成马氏体，因此其适用性仅限于能够发生变形诱导马氏体转变的合金，不适用于那些不具备这种能力的合金。此外，超细晶粒亚稳态β-钛合金中的孪晶机制仍不清楚，尚未确定。

本研究设计了一种新型的TWIP辅助β-钛合金（Ti-8.5Mo-1.3Cr-0.5Fe，简称TMCF），并通过一种新的两步退火工艺，在α相沉淀的帮助下实现了平均晶粒尺寸为0.81 μm的超细β晶粒结构。与粗晶粒（CG）对应合金（611 MPa）相比，超细晶粒TMCF表现出显著的YS（795 MPa），同时保持了良好的延展性。值得注意的是，在这种合金中观察到了不寻常的吕德斯带变形和独特的孪晶行为。当晶粒尺寸降至约0.6 μm的临界阈值以下时，仅激活{112}<111>孪晶，而没有{332}<113>孪晶的形成。这些发现填补了关于UFG结构对亚稳态β-钛合金中孪晶行为影响的知识空白。

实验

我们设计了一种TWIP辅助的β-钛合金Ti-8.5Mo-1.3Cr-0.5Fe（重量百分比，简称TMCF），其键合顺序（）和平均< />轨道能级（分别为2.801和2.407。TMCF合金位于$\stackrel{￣}{\text{Bo}}$ - $\stackrel{￣}{\text{Md}}$图中，理论上抑制了马氏体转变[23]。TMCF合金是在纯度为99.999%的高纯度氩气氛围中通过电弧熔炼制备的。为确保成分均匀性，对锭材进行了重熔。

初始微观结构

图2显示了TMCF-CG和TMCF-UFG的初始微观结构。TMCF-CG呈现单相β结构，平均晶粒尺寸为39 μm，与先前报道的β-钛合金的值相似。相比之下，TMCF-UFG具有双相结构，其中细分散的α相（深色对比）均匀嵌入β基体（浅色对比）中。根据SEM图像和EBSD图谱，α相和β相的平均晶粒尺寸分别为0.17 μm。

TMCF-UFG中的强化机制

亚稳态β-钛合金通常在单一β相区域进行退火以形成等轴晶粒结构。不幸的是，退火过程中的快速晶粒生长导致β晶粒严重粗化，晶粒尺寸从几十微米增加到几百微米，限制了YS的潜在提升。本研究开发了一种新的两步退火工艺，在α+β相场中引入细小α相的均匀分布。

结论

本研究通过低于T_β的两步退火处理制备了一种超细晶粒TWIP β-钛合金。特别关注了晶粒尺寸对亚稳态β-钛合金中孪晶行为的影响。主要发现总结如下：

• 1.
  平均晶粒尺寸约为0.81 μm的TMCF-UFG实现了优异的强度-延展性协同效应，表现出795 MPa的YS和23%的UE。
• 2.
  TMCF-UFG中高比例的LAGBs不仅有助于

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刘凯文：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，方法学，研究，数据分析，概念化。韩子茹：方法学，研究，数据分析。周丽初：监督，资源，方法学。冯汉晨：资源，方法学。涂一友：资源。方凤：监督，资源。蒋建青：资源。周学锋：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取。

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