氧气介导的变形机制及其对钛热机械加工过程中动态再结晶的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Oxygen-mediated deformation mode and its impact on dynamic recrystallization in thermo-mechanical processing of titanium

氧强化钛的热机械加工中动态再结晶机制研究。通过制备含0.1、0.2、0.4wt.%氧的钛合金并进行75%热轧，发现氧含量增加使晶粒尺寸细化至41.81μm。氧通过促进金字塔滑移和增强< c+a >位错活动，改变变形模式，调控连续与不连续动态再结晶的竞争关系，形成长程取向梯度并提高储存能，从而实现晶粒细化。

　　

周伯豪|刘倩|楚双杰|王亚飞|黄伟伟|毛波

上海交通大学材料科学与工程学院，上海，200240，中国

摘要

氧化强化的钛（Ti-O）近年来表现出卓越的综合性能，吸引了越来越多的关注。然而，Ti-O的制造仍然具有挑战性，因为钛合金依赖于热机械加工（TMP）来调整微观结构。特别是动态再结晶（DRX）在TMP过程中对微观结构的细化和性能提升起着关键作用，其演变受到间隙氧对钛变形行为影响的调控。含有0.1%、0.2%和0.4%氧的铸造纯钛锭分别经过75%的热轧变形处理后，晶粒尺寸细化至61.42 μm、51.17 μm和41.81 μm。研究结果表明，氧改变了变形模式，从而影响了主导的DRX机制。具体来说，氧含量的增加促进了锥形滑移的发生，并增强了位错的活动性，这改善了长程错位梯度，促进了连续动态再结晶（CDRX）。此外，锥形滑移贡献的增加提高了核心区域的平均错位，为不连续动态再结晶（DDRX）提供了更多的储存能量。这些发现阐明了氧如何调节变形和DRX，以实现TMP过程中的微观结构细化，为氧化强化钛的工业生产提供了实用的见解和指导。

引言

钛合金作为一种出色的金属材料，由于其优异的性能，在航空航天和生物医学等高价值领域得到了广泛应用[1]、[2]。然而，钛产品的优异性能是以复杂的加工流程和昂贵的合金添加剂为代价的，这仍然是其更广泛工业应用的主要障碍[3]、[4]、[5]。幸运的是，氧作为一种经济有效的合金化策略应运而生，因为其少量且可控的添加可以显著提升钛的综合性能[6]、[7]。例如，Chong等人[8]、[9]在微型拉伸试样中引入0.1~0.4%的氧后，实现了超过1200 MPa的屈服强度和超过15%的伸长率；Luo等人[10]报道了通过粉末冶金制备的Ti–0.62% O合金具有优异的生物相容性。这些有前景的应用性能要求我们更深入地了解钛在添加氧后的微观机制和可扩展的加工策略。

在工业规模的生产中，由于钛合金的冷成型性差、导热性低以及复杂的变形行为，它们严重依赖热机械加工（TMP），其中动态再结晶（DRX）在控制热加工性能和最终微观结构方面起着核心作用[11]、[12]。DRX也是通过细化晶粒和改变织构来调整强度-延展性平衡的主要微观机制[13]。现已明确，钛的DRX响应受到加工条件和内在变形机制的耦合效应的支配[14]、[15]。在加工方面，温度、应变速率和变形路径可以改变主导的DRX类型，从连续动态再结晶（CDRX）转变为不连续动态再结晶（DDRX）：接近β转变温度时更倾向于DDRX[16]，而应变速率的增加通过改变滑移激活和位错积累加速了DRX[17]。除了这些标量参数外，施加的变形路径（例如压缩与剪切）进一步调节了滑移活性，从而导致不同的DRX轨迹[18]。在内在方面，晶粒间的异质变形为DRX的起始提供了优先位点，尤其是在晶界附近和高应变不兼容区域[19]。这种理解促使人们开发了基于物理的模型，这些模型结合了亚晶粒旋转和加工变量来量化CDRX和DDRX对晶粒细化的相对贡献[20]。此外，孪晶形成——HCP钛中的一种重要变形模式——可以与DRX强烈相互作用，因为孪晶界和孪晶交叉点促进了位错的快速储存，通常作为有效的形核位点[21]、[22]、[23]。总体而言，这些研究表明，钛的DRX不是由单一参数控制的，而是由变形模式依赖的异质性和边界演变之间的相互作用共同决定的，这最终决定了TMP过程中DDRX和CDRX之间的竞争。

从晶体学角度来看，间隙氧改变了六方密排（HCP）晶格的晶格常数，并改变了Ti中滑移系统的激活行为[24]、[25]。不同滑移系统的激活调节了应变适应能力，尤其是在难以变形的c轴方向。这种滑移系统活性的差异直接影响了长程错位梯度（MOGs）和位错相互作用的发展。因此，氧预计会通过改变滑移模式活性和TMP过程中的微观结构演变来调节DRX。

作为一种经济高效的热机械加工方法，热轧在制造大规模结构部件方面也具有优势。因此，在本研究中，通过对不同氧含量的钛进行热轧发现，氧促进了DRX，尤其是CDRX。这种DRX倾向源于氧介导的变形模式。氧激活了更多的锥形滑移，增强了c轴方向的应变适应能力和位错相互作用。前者增强了有利于CDRX的MOGs；后者增加了驱动DDRX的储存能量。这种机制细化了晶粒并均匀化了微观结构。它揭示了氧如何调节变形-再结晶的协同作用，为Ti-O合金的可扩展热机械加工提供了机制基础。

材料加工

在本研究中，设计了一系列含有0.1%、0.2%和0.4%氧的二元Ti–O合金，以覆盖商业纯钛中实际相关的氧化强化范围，同时避免了高氧含量通常导致的严重脆化[26]、[27]。所有合金均在氩气氛围下使用高纯度钛颗粒（99.99%）和金红石TiO₂粉末通过真空悬浮感应熔炼法制备。铸造后的锭材

热轧过程中Ti-O的DRX行为

图2展示了不同氧含量的热轧Ti–O合金的光学显微图像。可以看出，在热轧过程中，α晶粒沿垂直于轧制方向（RD）的方向逐渐拉长。同时，晶粒变得越来越细化（从61.42 μm变为45.81 μm），而整体晶粒形态随氧含量的增加变化不大。这种相似的晶粒形状但不同晶粒尺寸的组合表明

结论

本研究系统地研究了氧对变形模式的影响及其在钛的热机械加工（TMP）过程中对动态再结晶（DRX）机制的影响。主要结论如下：

(1)

氧通过增加锥形和基面滑移系统的贡献来改变滑移活性，从而增强了c轴方向的应变适应能力、晶格旋转和长程错位梯度（MOGs）。这些变化促进了

作者贡献声明

周伯豪：撰写——原始草稿、可视化、软件使用、资源准备、方法论设计、实验实施、数据分析、概念构建。王亚飞：撰写——审阅与编辑、资源协调。黄伟伟：撰写——审阅与编辑。刘倩：撰写——审阅与编辑、数据管理。楚双杰：撰写——审阅与编辑、验证、项目监督、资源协调、资金申请、数据管理。毛波：撰写——审阅与编辑、验证、项目监督、资源协调、资金申请、数据管理。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：毛波报告获得了中国国家重点研发计划的支持；毛波报告获得了国家自然科学基金的支持；毛波报告获得了中国先进材料-国家科技重大项目的支持。如果还有其他作者，他们声明没有其他已知

致谢

毛波感谢中国先进材料-国家科技重大项目（项目编号2025ZD0612001）和国家自然科学基金（项目编号52571089）的资助支持。