通过相干 αs/β 界面三角形 αs 与细小弥散 αs 相实现 β 钛合金优异强度-韧性匹配

《Journal of Materials Research and Technology》：Achieving outstanding strength-toughness matching in β titanium alloy with coherent αs/β interface triangular αs and fine dispersed αs phases

　　

在 β 钛中实现强度-韧性权衡（trade-off）是一项重大挑战，因为二者通常属于不相容性能。本研究通过在合金中添加适量 Nb 元素并实施适当热处理，获得了具有相干 α_s/β 界面的三角形 α_s 相和细小弥散 α_s 相，从而实现了高强度与高韧性的协同。未变形 Ti-4.3Al-6.5Mo-3V-2Sn-2Zr-5Nb 试样表现出 1298.5 MPa 的抗拉强度和 76.2 MPa·m^1/2 的断裂韧性，超过了许多经变形加工的钛合金。具有良好应变协调性的相干 α_s/β 界面三角形 α_s 相和细小弥散 α_s 相，有效结合了弥散析出强化与相干界面强化机制，从而赋予钛合金优异的强度-韧性匹配。具有相干 α_s/β 界面的 α_s 相能够激活金字塔 滑移系，进而提升韧性。这些发现为开发兼具优异力学性能的复杂铸件提供了关键的理论与实践基础。

该论文发表于《Journal of Materials Research and Technology》，聚焦于β钛合金中长期存在的强度与韧性难以兼顾的问题。钛及钛合金因低密度、高比强度和优异耐蚀性而广泛应用于航空航天、海洋及医疗等领域，尤其在复杂航空铸件中，对高强高韧的需求持续提升。然而，复杂铸件通常无法像变形合金那样借助塑性加工细化组织，因此其性能优化更加依赖成分设计与热处理调控。现有研究表明，钛合金强度和韧性的本质受位错滑移行为支配，而析出 α 相的尺寸、形貌、分布及 α_s/β 界面特征，会显著影响位错传递、应力集中与裂纹萌生。传统非相干或半相干界面虽然有利于强化，但常因应变不协调而成为微裂纹源，限制韧性提升。因此，如何通过成分设计和相变调控构建兼顾阻碍位错与缓解应力集中的析出相结构，是该领域的重要科学与工程问题。

围绕上述问题，研究人员以 Ti-4.3Al-6.5Mo-3V-2Sn-2Zr-xNb（x=0、3、5 wt.%）β钛合金为对象，系统考察 Nb 含量与热处理对组织演化和力学性能的影响。研究的核心思路是通过调控 Mo 当量（Mo[eq]）及两相区热处理条件，在合金中引入具有相干 α_s/β 界面的三角形 α_s 相与细小弥散 α_s 相，以期协同实现析出强化、界面强化和韧化。结果表明，5Nb 合金在未经过塑性变形条件下即可获得 1298.5 MPa 的抗拉强度与 76.2 MPa·m^1/2 的断裂韧性，显著优于 0Nb 基体合金，并展现出优于许多铸态和变形钛合金的强韧协同水平。研究进一步证明，相干 α_s/β 界面不仅可作为有效位错障碍，还可维持较好的应变协调性，促进位错跨界传递并激活金字塔 滑移系，从而缓解局部应力集中，避免界面成为裂纹源。该研究的重要意义在于提出了一条无需变形加工、依靠成分与热处理耦合设计实现β钛合金超高强高韧匹配的可行路径，对复杂薄壁铸件开发具有直接指导价值。

研究人员采用的关键技术方法主要包括：首先，通过真空电弧熔炼制备 Ti-4.3Al-6.5Mo-3V-2Sn-2Zr-xNb（x=0、3、5 wt.%）合金，并结合 JMatPro 软件模拟确定相变点；随后实施 785°C×1 h 固溶、水冷，再经 520°C×4 h 时效、空冷的热处理制度。组织表征方面，采用扫描电子显微镜（SEM，scanning electron microscopy）、电子背散射衍射（EBSD，electron back-scattered diffraction）和透射电子显微镜（TEM，transmission electron microscopy），并结合高分辨透射电镜（HRTEM）、选区电子衍射（SAED，selected area electron diffraction）、快速傅里叶变换（FFT，fast Fourier transform）、几何相位分析（GPA，geometric phase analysis）和能谱分析（EDS，energy dispersive spectroscopy）解析界面结构、取向关系与元素分布；力学性能通过室温拉伸和断裂韧性测试获得，并对裂纹扩展路径进行定量分析。

3.1 机械性能
研究结果显示，Ti-4.3Al-6.5Mo-3V-2Sn-2Zr-xNb 合金在室温下均表现出较高强度和较好韧性，且随着 Nb 含量增加，抗拉强度和断裂韧性同步提升。0Nb 合金的抗拉强度为 1024.0 MPa，韧性为 65.7 MPa·m^1/2；而 5Nb 合金分别提高至 1298.5 MPa 和 76.2 MPa·m^1/2。文中对比表明，该 5Nb 合金在未变形状态下已表现出优于许多铸态及变形钛合金的强韧协同性能。这一结果直接说明，通过 Nb 合金化和适当热处理可显著改善β钛合金的力学响应。

3.2 显微组织特征
显微组织观察表明，经固溶与时效后，各合金均由初生 α 相（α_p）、次生 α 相（α_s）和 β 相组成。α_p 相呈条带状分布，α_s 相在 β 基体中以不同取向不规则交叉析出。随着 Nb 含量增加，α_p 相含量逐步降低。特别是在 5Nb 合金中，出现了具有三角形形貌的 α_s 相，即 Δ 分布，而 0Nb 和 3Nb 合金中未观察到该结构。研究人员根据相变点差异和既有相变规律指出，三角形 α 相的形成温度窗口极窄；在适宜温度下，3个 α 变体以 60°夹角形成时可使弹性应变能最低、应力相互抵消，因而形成稳定三角分布。5Nb 合金由于相变点更低，更有利于处于形成三角 α_s 相的适宜两相区温度范围内。

TEM 结果进一步揭示，3Nb 合金中 β 基体上分布有微米级 α_p 相和纳米级 α_s 相，高长宽比 α_s 相呈平行和交叉排列，可引入大量位错障碍，并有效抑制裂纹扩展。对于 5Nb 合金，α 相主要表现为三类：分布不均的微米级 α_p 相、均匀分布的纳米级 α_s 相，以及热处理过程中形成的 Δ 分布特殊 α_s 相。研究发现，三角形 α_s 相附近存在明显位错缠结，说明其对位错滑移具有显著阻碍作用。高分辨分析测得 d_αs=0.2265 nm、d_β=0.2263 nm，失配度仅 0.08%，表明该三角形 α_s 相与 β 基体之间形成的是相干界面，而非常见的半相干界面。反傅里叶变换与 GPA 进一步证实界面处存在应变位错。与此同时，三角形 α_s 相与 β 相遵循 Burgers 取向关系（BOR，Burgers orientation relationship）：(0001)_α // (10￣1)_β，且 [11￣20]_α//[￣1￣1￣1]_β。EDS 结果显示，Δ 分布 α_s 相中 Mo 和 Nb 相对贫化，而 Nb 在基体中均匀固溶，说明该特殊 α_s 相并非由局部特定元素富集所致。

3.3 室温强化与韧化机制
在强化机制方面，TEM 观察显示，无论是三角形 α_s 相还是细小弥散 α_s 相，其界面均能有效阻碍位错运动，从而提高合金强度。但更关键的是，研究还观察到位错可穿过 α_s 相并向 β 基体传递，这说明相干 α_s/β 界面并非单纯造成位错塞积和严重应力集中。高分辨 TEM 与 GPA 明确证实，细小 α_s-β 界面为相干界面，且界面处存在位错积聚。论文指出，传统半相干 α_s/β 界面由于应变协调性差，往往成为微裂纹萌生根源；而当 α_s 与 β 相之间满足 Burgers 取向关系时，相干相界面有利于位错滑移与跨界传递，能够释放局部应力集中，因此既强化又减小脆化倾向。这正是该合金强韧兼顾的重要基础。

在塑性与韧性来源方面，研究人员对拉伸断口缩颈区的 Schmid 因子（SF，Schmid factor）分布进行了分析。统计结果表明，5Nb 合金主要激活金字塔 滑移系，同时伴随少量基面滑移系，且金字塔 滑移为主要滑移机制。研究据此认为，具有相干界面的 α_s 相更易激活该类滑移模式，而 位错活动有助于提升钛合金的韧性与延性。因此，在引入相干 α_s 相后，合金可以在保持高强度的同时维持较好的韧性。

研究还对 5Nb 合金的屈服强度来源进行了定量分析，将其分解为纯钛临界分切应力、固溶强化、位错强化、α 析出强化和界面强化等贡献。理论计算与实验测量结果吻合较好，说明该强化机理分析具有合理性。根据文中的示意描述，室温拉伸过程中，变形首先在较软的 α_p 相中启动，α_p 相优先协调变形，并在其周围首先产生位错；随后位错向 α_s 相和三角形 α_s 相附近扩展与传播。大量纳米级 α_s 相及三角形 α_s 相作为位错障碍显著提高抗拉强度，而其相干 α_s/β 界面又保证了良好的应变协调性，从而克服了传统半相干界面易诱发微裂纹的问题，并通过激活金字塔 滑移系实现高强高韧匹配。

裂纹扩展行为进一步支持上述认识。随着 Nb 含量增加，裂纹扩展路径愈发曲折，表明裂纹偏转程度增大，断裂过程消耗更多能量，因此韧性更高。二次裂纹的存在也进一步消耗断裂能，有利于断裂韧性提升。其中，5Nb 合金表现出最复杂的裂纹扩展路径，并呈现穿晶断裂特征。研究通过最小二乘法对裂纹路径曲线进行拟合，并以线性相关系数 R 和偏转程度 D（1/R）进行量化，结果显示 5Nb 合金的偏转程度最高，与其最佳韧性结果一致。这进一步证明，相干 α_s/β 界面三角形 α_s 相和细小弥散 α_s 相能够同时改善合金强度与韧性。

综合讨论可见，该研究的实质在于通过 Nb 调控 Mo 当量和相变行为，借助适宜固溶-时效制度，在β钛合金中构建出由微米级 α_p 相、纳米级弥散 α_s 相以及三角形 Δ 分布 α_s 相组成的多尺度组织。该组织一方面通过弥散析出和界面作用对位错形成有效阻碍，实现高强度；另一方面又因 α_s/β 界面相干、满足 Burgers 取向关系而具备良好应变协调性，促进位错传递，减弱界面应力集中，并通过激活金字塔 滑移改善塑韧性。研究结果说明，强度与韧性并非只能彼此牺牲，在界面结构可控的条件下，二者可以通过组织设计实现协同优化。对于无法依赖后续变形细化组织的复杂铸态β钛合金而言，这一设计理念具有重要工程应用价值。

结论部分可译为：
总之，本研究通过合金成分设计和适当热处理，构建了具有相干 α_s/β 界面的三角形 α_s 相和细小弥散 α_s 相。该合金表现出优异的室温强度-韧性协同。其卓越的室温力学性能主要归因于具有良好应变协调性的相干 α_s/β 界面三角形 α_s 相和细小弥散 α_s 相有效结合了弥散析出强化与相干界面强化机制，并通过增强金字塔 滑移系同时提升强度和韧性。由此，在无需变形的条件下即可获得兼具超高强度和高韧性匹配的 β 钛合金，并为复杂薄壁铸件提供了设计指导。