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勢，被廣泛應用于航空航天領域關鍵構件的制備。軋制變形極易導致鈦合金形成強烈的初始織構，其服役性能需通過熱處理工藝實現微觀組織與織構的協同調控。實際相變過程中普遍存在變體選擇現象，導致特定取向α相變體優先析出，可能引起α相織構強化甚至形成微區織構。冷卻控制是鈦合金加工的關鍵環節，而關于冷卻速率對α相變體選擇行為的影響機理仍然存在爭議，導致難以通過冷卻參數優化對析出相取向和織構進行精確調控，成為制約合金工程應用的重要瓶頸之一。深入探究相變過程中晶體學取向演變與冷卻參數的關聯機制，不僅有助于深化鈦合金組織織構精確調控的理論認知，更能為高溫鈦合金的加工制備與工程應用提供關鍵技術支撐。

2. 成果簡介

近日，西北工業大學李金山教授團隊通過微觀組織表征和晶體學計算等工作，系統闡述了耐溫650℃近α型鈦合金Ti65的晶體學織構演變規律。通過深入對比分析不同冷卻參數下相界、晶內及晶界區域的α相變體選擇現象差異，系統揭示冷卻速率對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演變差異的成因，建立冷卻速率與α相織構演變的聯系，為實現Ti65合金織構精確調控提供科學理論指導。相關工作以題為“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大學。

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

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相織構組分繼承自熱軋態試樣。但是，特定織構類型的強度變化卻由于初始織構不同存在差異。例如，爐冷后0.1-UDR箔材中的橫向織構增強，但0.1-MSCR箔材中的橫向織構卻減弱。三者的α相晶界取向差的分布規律相似，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相軋制織構條件下的α相偏離角標準分布圖。可見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，即隸屬橫向織構的α相晶粒則始終表現出較低的偏離角。這一結果證明，對Ti65合金薄板箔材而言，基面織構的α相晶粒更易在α→β相變過程中轉變為高溫β相晶粒，而橫向織構的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

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相以橫向織構為主。0.1-CDR-AC試樣的α相以基面偏RD織構為主，另外還存在微弱的橫向織構。0.1-MSCR-AC試樣α相織構的基面偏RD織構基本消失，但橫向織構顯著增強。空冷試樣的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。當母相β晶粒與相鄰α_p相晶粒的取向關系滿足Burgers取向關系，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相變體選擇現象的作用機制不受冷卻速率的影響。

圖5 母相β晶內的α相變體選擇機制分析

圖5展示了母相β晶內的α相變體選擇機制分析。在母相β晶內，α相變體選擇現象表現為析出變體優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取向關系。任何偏離Burgers取向關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，這便導致特定α相變體的優先析出。但當所有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先析出的關鍵因素。統計結果表明，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，其值不受冷卻參數影響。

圖7 快冷條件下β→α相轉變過程中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α_s相于母相β晶內析出。因此，不同初始織構的空冷試樣間，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晶界的影響發生變體選擇。初始織構的不同會導致高溫下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。

根據上述結果，冷卻速率顯著影響近α鈦合金的晶體學取向演變。冷卻速率的降低導致Ti65合金β→α相變機制轉變為以α_p相晶粒長大為主。該相變機制下，初始織構對α相織構演變的影響源于α→β相變過程中特定取向α相晶粒的優先相變：α_p相與相鄰β相越符合Burgers取向關系，其在α→β相變過程中的留存概率越高。冷卻速率的提高導致Ti65合金β→α相變機制轉變為以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α變體選擇機制呈現顯著速率依賴性。當冷卻速率增大時，晶內α相從優先形成Type I和Type II變體取向差轉變為優先形成Type III變體取向差。因此，初始織構對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晶內析出為主，導致初始織構的影響被削弱；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.