采用TiH?辅助工艺制备的粉末冶金Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V合金具有高强度和良好的延展性

《Journal of Alloys and Compounds》：High strength and good ductility of a powder metallurgy Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V alloy fabricated using a TiH?-assisted process

TA15钛合金通过TiH?辅助高能球磨、热机械粉末 consolidate及热处理制备，形成纳米级Widmanst?tten α/β lamellar结构并消除αGB，后续处理使部分β lamellae转变为更硬的β_t相，实现强度（1181 MPa）与延展性（17.4%）协同优化。

　　

王聪|赖洪臣|胡佳琪|孟雷|张德亮

东北大学材料科学与工程学院，沈阳，110819，中国

摘要

通过结合高能球磨、热机械粉末致密化和致密化后热处理的TiH?辅助工艺路线，制备了一种粉末冶金（PM）TA15钛合金（Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V，重量%）。研究了其微观结构与性能之间的关系。原始挤压合金呈现出细小的Widmanst?tten α/β层状结构，并实现了良好的强度-延展性平衡（屈服强度YS 1024 MPa，抗拉强度UTS 1218 MPa，延伸率EL 14.2%）。经过脱氢退火和α+β场退火后空气冷却处理，部分β层状组织转变为更硬的β转变（β_t）层状组织，进一步增强了强度-延展性协同效应（屈服强度YS 1181 MPa，抗拉强度UTS 1301 MPa，延伸率EL 17.4%）。TiH?辅助工艺有效抑制了有害的晶界α（αGB）的形成，而β_t层状组织的形成在保持延展性的同时提供了更强的位错滑移障碍。本研究为设计具有改进强度-延展性协同效应的高性能PM近α钛合金提供了一种实用的微观结构工程途径。

引言

TA15钛合金（Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V，重量%）由于其优异的机械性能，如高强度、良好的延展性和韧性以及出色的耐腐蚀性，在航空航天和海军工程中得到广泛应用[1]、[2]。通过调整热处理条件，TA15合金可以形成四种典型的微观结构：层状结构、篮状结构、等轴结构和双峰结构[3]。先前的研究表明，层状结构具有较高的断裂韧性，篮状结构和等轴结构虽然提高了延展性但牺牲了断裂韧性，而双峰结构通常能够同时提供高强度和良好的延展性[4]。这些微观结构通常是通过在α+β两相区域进行热机械加工后退火获得的[5]。此外，如果打印和后续热处理得到优化，具有α′-马氏体主导微观结构的增材制造TA15合金也表现出有利的强度-延展性组合[6]、[7]。

层状微观结构通常由粗大的α/β层状团簇组成。在这些团簇内部，相邻的α和β层状组织之间存在Burgers取向关系，使得位错能够以大约10.5°的偏转通过α/β界面[8]、[9]。位错滑移在团簇边界处被阻挡，导致位错在团簇边界处堆积，从而引起应变局部化和应力集中[10]、[11]。如果孤立的α板沿着原有的β晶界（即晶界α，αGB）形成并与团簇边界重合，由此产生的应力集中可能导致这些板的断裂，从而促进晶间断裂并降低延展性[12]、[13]。关于近α钛合金的先前研究表明，具有连续αGB层的较大α/β团簇倾向于引起明显的晶间断裂和较低的延展性[12]、[14]、[15]。同时，冯等人[16]发现通过添加TiB whiskers细化TA15合金中的α/β团簇可以显著提高其强度和延展性。唐等人[17]通过添加Si细化了TA15合金中的α/β团簇，实现了强度和延展性的同时提高。高等人[18]通过热轧细化了α/β团簇的大小，有效提高了TA15合金的强度和延展性。此外，将β层状组织转变为由针状α相和保留的β相组成的更硬的β_t层状组织，可以阻碍位错在α/β_t界面处的滑移，从而减少应变局部化和应力集中，提高延展性[19]。

总体而言，具有α/β层状结构且没有孤立晶界α（αGB）板或连续αGB层的近α钛合金可以提供高强度和良好延展性的良好平衡。从这种微观结构出发，将相对较软和较薄的β层状组织转化为较厚和较硬的β_t层状组织可以进一步提高强度。因此，可以获得具有高度增强的强度-延展性协同效应的近α钛合金。

实际上，在本研究中，我们证明了通过高能球磨TiH₂粉末和其他所需元素粉末的混合物，然后进行热机械粉末致密化制备的粉末冶金（PM）TA15钛合金呈现出细小的Widmanst?tten α/β层状微观结构，并且没有孤立的晶界α（αGB）板和连续的αGB层。这种微观结构表现出高强度和良好的延展性。此外，随后的脱氢和α+β场退火后空气冷却处理将薄的β层状组织转化为较厚的β和β_t层状组织，进一步提高了强度而没有明显的延展性损失。本文报告了这些发现并分析了拉伸性能提升的原因。

实验程序

实验步骤

准备了TiH₂、Al、ZrH₂、Mo和V粉末的混合物（粒径范围为45–75 μm，纯度范围为99.5%–99.9%），其名义组成为Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V（TA15合金）。为了确保混合均匀，粉末在QM-3SP4球磨机中以300 rpm的速度研磨1小时。然后将混合粉末在高能球磨机中以500 rpm的速度研磨3小时，以促进颗粒破碎和细化。球与粉末的重量比为5:1。

微观结构

如图2所示，原始挤压样品和920-AC样品都包含α和β相。在原始挤压样品中未检测到明显的钛氢化物峰。

如图3(a)-(c)所示，原始挤压样品呈现出典型的Widmanst?tten α/β层状结构。如图4(a)所示，α/β团簇由纳米级的超细α和β层状组织组成。在原有的β晶界处观察到α区域。

微观结构

如图3所示，原始挤压样品中单个母体β颗粒的大小通常在20至30 μm之间。然而，根据EBSD（图5）中α变体的取向重构的母体β颗粒的大小显著增大，达到60 μm。这表明α/β团簇不再受限于单个原有的β颗粒内。根据界面不稳定性成核理论[30]，α首先在

结论

本研究调查了采用独特工艺制备的PM TA15合金的微观结构、拉伸性能以及变形和断裂行为，该工艺包括高能球磨TiH2和其他所需元素粉末的混合物、粉末压实挤压和热处理。主要结论如下：

• 1.
  使用TiH₂粉末、高能球磨和热机械粉末致密化有助于形成细小的Widmanst?tten α/β层状结构

作者贡献声明

赖洪臣：研究、概念化。胡佳琪：可视化、研究。王聪：撰写——初稿、方法学、概念化。孟雷：撰写——审阅与编辑。张德亮：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国辽宁省“兴辽人才计划”（项目编号XLYC1802080）的财政支持。特别感谢东北大学分析测试中心提供的仪器数据分析支持。