1.背景介紹

高溫鈦合金憑借其高比強度、耐高溫、耐腐蝕及良好加工性等綜合性能優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域關(guān)鍵構(gòu)件的制備。軋制變形極易導(dǎo)致鈦合金形成強烈的初始織構(gòu)，其服役性能需通過熱處理工藝實現(xiàn)微觀組織與織構(gòu)的協(xié)同調(diào)控。實際相變過程中普遍存在變體選擇現(xiàn)象，導(dǎo)致特定取向α相變體優(yōu)先析出，可能引起α相織構(gòu)強化甚至形成微區(qū)織構(gòu)。冷卻控制是鈦合金加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而關(guān)于冷卻速率對α相變體選擇行為的影響機理仍然存在爭議，導(dǎo)致難以通過冷卻參數(shù)優(yōu)化對析出相取向和織構(gòu)進行精確調(diào)控，成為制約合金工程應(yīng)用的重要瓶頸之一。深入探究相變過程中晶體學(xué)取向演變與冷卻參數(shù)的關(guān)聯(lián)機制，不僅有助于深化鈦合金組織織構(gòu)精確調(diào)控的理論認知，更能為高溫鈦合金的加工制備與工程應(yīng)用提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

2. 成果簡介

近日，西北工業(yè)大學(xué)李金山教授團隊通過微觀組織表征和晶體學(xué)計算等工作，系統(tǒng)闡述了耐溫650℃近α型鈦合金Ti65的晶體學(xué)織構(gòu)演變規(guī)律。通過深入對比分析不同冷卻參數(shù)下相界、晶內(nèi)及晶界區(qū)域的α相變體選擇現(xiàn)象差異，系統(tǒng)揭示冷卻速率對α相變體選擇的作用機制，進而闡明不同冷卻條件下初始織構(gòu)演變差異的成因，建立冷卻速率與α相織構(gòu)演變的聯(lián)系，為實現(xiàn)Ti65合金織構(gòu)精確調(diào)控提供科學(xué)理論指導(dǎo)。相關(guān)工作以題為“Variant selection mechanism of α phase associated with initial texture and cooling rate in near-α titanium alloy Ti65”的研究論文發(fā)表在Materials Characterization。論文第一作者為博士研究生趙鼎，通訊作者為樊江昆教授，通訊單位為西北工業(yè)大學(xué)。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.matchar.2025.114874

3. 圖文解析

圖1 爐冷Ti65合金箔材試樣中的α相織構(gòu)

緩冷過程Ti65合金的β→α相變主要通過等軸α相長大機制進行。由于α_s相的析出被抑制，在單向軋制0.1-UDR-FC試樣、換向軋制0.1-CDR-FC試樣和交叉軋制0.1-MSCR-FC試樣的IPF圖中并未觀察到片層α相的存在。爐冷試樣的α相織構(gòu)組分繼承自熱軋態(tài)試樣。但是，特定織構(gòu)類型的強度變化卻由于初始織構(gòu)不同存在差異。例如，爐冷后0.1-UDR箔材中的橫向織構(gòu)增強，但0.1-MSCR箔材中的橫向織構(gòu)卻減弱。三者的α相晶界取向差的分布規(guī)律相似，峰值集中于2°到5°之間。在圖中60°和90°處并未觀察到峰值，這是由于爐冷條件下α_s相的析出被抑制。

圖2 多種常見β相軋制織構(gòu)條件下α相偏離角標準分布圖

圖2展示了多種常見β相軋制織構(gòu)條件下的α相偏離角標準分布圖?？梢?/span>c軸平行或接近平行于法向(ND)的α相晶粒，即隸屬基面織構(gòu)的α相晶粒更容易擁有較高的偏離角，而c軸集中在橫向(TD)附近的α相晶粒，即隸屬橫向織構(gòu)的α相晶粒則始終表現(xiàn)出較低的偏離角。這一結(jié)果證明，對Ti65合金薄板箔材而言，基面織構(gòu)的α相晶粒更易在α→β相變過程中轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷?/span>β相晶粒，而橫向織構(gòu)的α相晶粒在α→β相變過程中更容易被保留。

圖3 空冷Ti65合金箔材試樣中的α相織構(gòu)

冷卻速率增加后，片層α_s相大量析出，此時空冷試樣的α相織構(gòu)變化明顯。組織皆由等軸α_p相和細小片層α_p相組成。0.1-UDR-AC試樣的α相以橫向織構(gòu)為主。0.1-CDR-AC試樣的α相以基面偏RD織構(gòu)為主，另外還存在微弱的橫向織構(gòu)。0.1-MSCR-AC試樣α相織構(gòu)的基面偏RD織構(gòu)基本消失，但橫向織構(gòu)顯著增強?？绽湓嚇拥?/span>α相晶界取向差分布存在多個峰值。

圖4 α/β相界處的α相變體選擇機制分析

圖4給出α/β相界處的α相變體選擇機制分析。在α_p/β相界上，α_s相晶粒的形核導(dǎo)致α_p-β界面的消失，同時形成α_p-α_s和α_s-β界面。α相變體間具有各異的α_p-β界面能。當(dāng)母相β晶粒與相鄰α_p相晶粒的取向關(guān)系滿足Burgers取向關(guān)系，析出的α相變體傾向與α_p相晶粒保持一致或是接近的取向。這種選擇可以最大程度減小α_p-α_s界面能，從而降低α_s相晶粒形核的吉布斯自由能。這種α相變體選擇現(xiàn)象的作用機制不受冷卻速率的影響。

圖5 母相β晶內(nèi)的α相變體選擇機制分析

圖5展示了母相β晶內(nèi)的α相變體選擇機制分析。在母相β晶內(nèi)，α相變體選擇現(xiàn)象表現(xiàn)為析出變體優(yōu)先形成特定變體取向差。具體而言，冷卻速率高的情況下，β→α相變過程中析出α相變體形成Type III變體取向差(63.26°/[-1055-3])可以最小化相變應(yīng)變。冷卻速率減緩后，α相變體間形核能的差異增大，促進特定α相變體的析出。在綜合考慮界面能和相變應(yīng)變的影響下，β→α相變過程傾向析出α相變體形成Type I (60°/[11-20])和Type II (60.83°/[-1.377 -1 2.377 0.359])變體取向差。

圖6 β/β晶界處的α相變體選擇機制分析

圖6給出了β/β晶界處的α相變體選擇機制分析。在β/β晶界處，α_GB相晶粒會盡可能同時與兩個相鄰β相晶粒保持Burgers取向關(guān)系。任何偏離Burgers取向關(guān)系的情況都會增加界面能和彈性能。由于取向不同，不同的α相變體間必然存在偏離角的差異，這便導(dǎo)致特定α相變體的優(yōu)先析出。但當(dāng)所有α相變體的偏離角都超過某一臨界值，此時α相變體間界面能和彈性能的的差異將不再是決定特定變體優(yōu)先析出的關(guān)鍵因素。統(tǒng)計結(jié)果表明，對Ti65合金而言，決定β/β晶界處α相變體選擇機制的臨界值保持在10°左右，其值不受冷卻參數(shù)影響。

圖7 快冷條件下β→α相轉(zhuǎn)變過程中α相變體選擇機制的示意圖

在較高的冷卻速率下，α相變體形核激活能差異的影響弱，母相β晶粒可以以細針狀析出大量取向不同的α_s相晶粒。絕大多數(shù)α_s相于母相β晶內(nèi)析出。因此，不同初始織構(gòu)的空冷試樣間，α相變體取向差分布卻十分相近，母相β晶內(nèi)析出的α相傾向形成Type III的變體取向差。冷速減緩后，α相變體形核激活能差異的影響增大。母相β晶粒以粗片層狀少量析出α_s相晶粒。大量α_s相的析出受到α_p/β相界和β/β晶界的影響發(fā)生變體選擇。初始織構(gòu)的不同會導(dǎo)致高溫下α_p/β相界和β/β晶界的差異。因此，熱處理后無論是α相變體特征還是α相變體取向差分布都存在顯著的差別。

根據(jù)上述結(jié)果，冷卻速率顯著影響近α鈦合金的晶體學(xué)取向演變。冷卻速率的降低導(dǎo)致Ti65合金β→α相變機制轉(zhuǎn)變?yōu)橐?/span>α_p相晶粒長大為主。該相變機制下，初始織構(gòu)對α相織構(gòu)演變的影響源于α→β相變過程中特定取向α相晶粒的優(yōu)先相變：α_p相與相鄰β相越符合Burgers取向關(guān)系，其在α→β相變過程中的留存概率越高。冷卻速率的提高導(dǎo)致Ti65合金β→α相變機制轉(zhuǎn)變?yōu)橐?/span>β相基體析出α變體為主。該相變機制下，α_p/β相界與β/β晶界處的α相變體選擇機制具有冷卻速率不敏感性，而母相β晶內(nèi)α變體選擇機制呈現(xiàn)顯著速率依賴性。當(dāng)冷卻速率增大時，晶內(nèi)α相從優(yōu)先形成Type I和Type II變體取向差轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)先形成Type III變體取向差。因此，初始織構(gòu)對α相變體選擇機制的影響受控于冷卻速率，其核心機制在于不同冷卻條件下α_s相析出位置的差異性分布。具體表現(xiàn)為：在冷卻速率較快的條件下，細小片層α相變體以在母相β晶內(nèi)析出為主，導(dǎo)致初始織構(gòu)的影響被削弱；在冷卻速率較慢的條件下，粗大片層α相變體以沿α_p/β相界及β/β晶界析出為主，因而初始織構(gòu)的影響被增強。

4. 引用文本

D. Zhao, J. K. Fan, Z. Z. Zhang, et al. Variant selection mechanism of α phase associated with initial texture and cooling rate in near-α titanium alloy Ti65. Materials Characterization, 2025, 223: 114874.