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本研究提出了一種高強鈦合金強度-塑性協(xié)同提升策略，設(shè)計鈦合金熱軋短時固溶工藝，引入多形態(tài)初生α和β亞晶結(jié)構(gòu)，并在后續(xù)時效過程中亞晶界介導(dǎo)形成多層級α析出相組織。這一方法有效地提升了鈦合金的強度和形變協(xié)調(diào)性，獲得的抗拉強度達到1581MPa，并匹配8.4%的延伸率，突破了析出強化損失材料塑性的傳統(tǒng)范式。

研究背景

鈦合金由于具有高比強度、優(yōu)異的淬透性和硬化能力，是新型高強結(jié)構(gòu)材料的理想選擇。通常，從β母相中析出次生α相（α_s）產(chǎn)生析出強化是提高鈦合金強度的主要手段。α_s析出相的形態(tài)、尺寸和體積分數(shù)可以通過熱機械加工和熱處理來調(diào)控，以提高鈦合金的整體強度。然而，強度和塑性之間的倒置矛盾通常導(dǎo)致塑性隨強度增加而下降。因此，克服這一矛盾對確保鈦合金在高強度水平下的安全服役至關(guān)重要。

本文亮點

圖文解析

圖1基于“熱軋+短時固溶+時效”工藝的微觀結(jié)構(gòu)演變

圖2 RSST、RSST+A1和RSST+A4樣品的室溫拉伸性能：（a）工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。插圖詳細列出了拉伸數(shù)據(jù)；（b）（a）圖對應(yīng)的真應(yīng)力-應(yīng)變和加工硬化率曲線；（c）RSST和RSST+A1樣品的均勻塑性應(yīng)變和非均勻塑性應(yīng)變直方圖。

圖3 拉伸前RSST樣品在ND平面上的EBSD形態(tài)：（a）IPF圖，顯示沿RD方向的細長層狀β-結(jié)構(gòu)；（b）（a）圖對應(yīng)的IPF圖，這里僅顯示α相，包括標記的α_el和α_sp；（c）（b）圖對應(yīng)的KAM圖；（d）IPF圖疊加了HAGB（黑色）和LAGB（紅色）。β_sub用白色箭頭標記；（e）LAGBs的統(tǒng)計直方圖；（f）β亞晶粒的直徑分布統(tǒng)計直方圖。

圖4 拉伸前RSST+A1樣品在ND面上的EBSD微觀結(jié)構(gòu)特征：（a）α和β相的IPF圖；（b）相應(yīng)的IPF圖，僅顯示α相；（c）（b）圖對應(yīng)的KAM圖；（d）IPF圖與GB圖疊加，僅顯示β相；（e）β相中LAGBs的統(tǒng)計直方圖；（f）β亞晶粒的直徑分布統(tǒng)計直方圖。

圖5 拉伸前RSST和RSST+A1樣品中α_el的亞結(jié)構(gòu)形態(tài)：（a）α_el晶粒的EBSD IPF圖。線1（紅色）和線2（藍色）穿過多個α亞晶，插圖顯示了相關(guān)的局部取向差；（b）（a）圖相應(yīng)的KAM圖。下部結(jié)構(gòu)邊界用虛線標記；（c）α_el的TEM BF圖像，顯示位錯纏結(jié)；（d）另一TEM BF圖像，顯示了密集的位錯纏結(jié)；（e）RSST+A1樣品中α_el的IPF圖；（f）（e）圖對應(yīng)的KAM圖；（g）TEM BF圖像，顯示晶粒中心位錯密度降低；（h）TEM BF圖像，顯示了α_el/β界面處的纏結(jié)位錯。

圖6 拉伸前RSST和RSST+A1樣品中α_sp的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)和亞結(jié)構(gòu)：（a）RSST工藝后α_p晶粒的再結(jié)晶圖。變形α晶粒用紅色標記，再結(jié)晶晶粒用藍色標記；（b）α_sp的TEM BF圖像。插圖顯示了沿[0001]_α晶帶軸的SAED圖譜；（c）沿[0001]_α軸拍攝的IFFT圖像，α晶格特征由白點標示；（d）RSST+A1工藝后α_p晶粒的再結(jié)晶圖。變形α晶粒用紅色標記，再結(jié)晶晶粒用藍色標記；（e）α_sp的TEM BF圖像。插圖顯示了沿[0001]_α軸的SAED圖譜；（f）沿[21—1—0]_α軸的IFFT圖像，α晶格特征用白點突出顯示。

圖7 RSST和RSST+A1樣品αel內(nèi)部的α₂沉淀：（a）沿[2-1-10]_α軸拍攝的TEM BF圖像。α_el/β界面用虛線標記。插圖顯示了相應(yīng)的SAED，其中α母相（棕色）和α₂相（紅色）；（b）（a）圖中紅圈標示的衍射斑對應(yīng)的TEM DF圖像；（c）HRTEM圖像，包括α區(qū)域“R1”（紅框）和α₂區(qū)域“R2”（藍框）；（c1）“R1”區(qū)域?qū)?yīng)的FFT圖像；（c2）“R2”區(qū)域?qū)?yīng)的FFT圖像；（c3）IFFT圖像，顯示了α（紅色）和α₂（藍色）的晶格特征；（d）沿[0001]_α軸觀察到的RSST+A1樣品TEM BF圖像。α_el/β界面用虛線標記；（e）（d）圖對應(yīng)的SAED圖譜；（f）（e）圖中所圈斑點相應(yīng)的TEM DF圖像，顯示了α₂形態(tài)；（h）IFFT圖像，顯示α和α₂沉淀物的晶格特征。

圖8 拉伸前RSST和RSST+A1樣品中β基體的亞結(jié)構(gòu)特征：（a）RSST樣品疊加HAGB（黑色）和LAGB（紅色）的KAM圖；（b）沿[-113]_β軸拍攝的TEM BF圖像。插圖顯示了相應(yīng)的SAED圖譜；（c）（b）圖方框區(qū)域的放大圖像，顯示了構(gòu)成β-SGBs的位錯列；（c1）和（c2）分別在g=[110]和g= [-12-1]時位錯列的TEM BF形貌；（d）RSST+A1樣品的KAM圖；（e）β晶內(nèi)層級α_s的典型HAADF形態(tài)；（f）α_n/β界面的HRTEM晶格像；（f1）（f）圖黃框區(qū)域的FFT；（f2）（f1）中所圈斑點的IFFT圖像，顯示了一維(110)_β晶格條紋。位錯用“⊥”符號標記。

圖9 RSST和RSST+A1樣品中的β調(diào)幅分解結(jié)構(gòu)及其元素分布特征：（a）TEM BF圖像，顯示了RSST樣品中β調(diào)幅結(jié)構(gòu)的形態(tài)及其晶體學(xué)特征；（b）（a）圖相應(yīng)的SAED圖譜；（c）HAADF圖像，顯示調(diào)幅結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的EDS面掃，包括Ti、Al、Mo、Cr、Fe元素；（d）RSST+A1樣品的TEM BF圖像；（e）（d）圖放大的HAADF圖像及其EDS面掃，包括Ti、Al、Mo、Cr、Fe元素。

圖10 拉伸后RSST和RSST+A1樣品的微觀結(jié)構(gòu)特征：（a）和（e）對應(yīng)于示意圖中的區(qū)域“1”，（b）和（f）對應(yīng)于區(qū)域“2”，而（c）、（d）、（g）和（g）對應(yīng)于區(qū)域“3”；（a）區(qū)域“1”中RSST樣品整體形態(tài)的SEM圖像，插圖分別放大了頂部和底部β層的變形分布；（b）SEM圖像，顯示了區(qū)域“2”中β基體上細長的移跡線；（c）SEM圖像顯示了區(qū)域“3”中單個層狀β結(jié)構(gòu)中高度局部化的變形分布；（d）（c）圖的放大SEM圖像，顯示了平面滑移帶和由此產(chǎn)生的微裂紋；（e）區(qū)域“1”中RSST+A1樣品的SEM圖像；（f）SEM圖像，顯示了區(qū)域“1”中微觀結(jié)構(gòu)整體上的均勻滑移；（g）SEM圖像，顯示了區(qū)域“3”中的變形形態(tài)，未形成失控裂紋；（h）（g）的SEM局部放大圖像。

圖11 拉伸后RSST和RSST+A1樣品的斷口形貌：（a）和（c）SEM低倍斷口形貌；（b）和（d）斷口局部放大形貌。纖維區(qū)由虛線標出。

圖12 不同應(yīng)變下RSST+A1樣品的TEM變形形態(tài)：經(jīng)ε=3%應(yīng)變后α_el（a）、α_GB和α_WGB（b）、α_n（c-d）的TEM BF圖像；（d）是（c）圖的放大圖像；經(jīng)ε=7.5%應(yīng)變后α_el（e）、α_WGB（f）、α_GB（g）和α_n（g）的TEM BF圖像。（h）中插圖是相應(yīng)的SAED圖案。

圖13 不同強化機制對RSST和RSST+A1樣品屈服強度的貢獻。計算所得的屈服強度與實驗測量值大體一致。

圖14 RSST和RSST+A1樣品形變損傷過程的唯像模型

總結(jié)與展望

本研究通過設(shè)計亞晶介導(dǎo)的跨尺度、多層級α_s析出結(jié)構(gòu)，突破了高強鈦合金慣常的強度-塑性倒置矛盾。使得鈦合金在析出狀態(tài)下，大幅提高強度的同時保持了良好的延伸率，獲得的塑性甚至高于相應(yīng)的固溶態(tài)，打破了析出強化損失材料塑性的傳統(tǒng)范式。該策略可拓展應(yīng)用于其它金屬材料體系，助力強塑性能的提升。

作者介紹

第一作者：邢宇杰，本科就讀于西安交通大學(xué)，2021年進入碩士研究生階段的學(xué)習(xí)，在陳威副教授的指導(dǎo)下從事鈦合金研究，于2024年7月畢業(yè)。現(xiàn)工作于西北有色金屬研究院生物材料研究所，研究方向為醫(yī)用鈦合金。

通訊作者：陳威，西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授、博士研究生導(dǎo)師、中國材料研究學(xué)會鈦合金分會理事、陜西省有色金屬學(xué)會理事、曾任日本京都大學(xué)特定研究員。先后主持國家自然科學(xué)基金(4項)、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目專題(1項)、陜西省自然科學(xué)基金(2項)、陜西省重點研發(fā)計劃“揭榜掛帥”項目、西安市重點實驗室基金、企校聯(lián)合攻關(guān)項目等各級項目課題近50項。在 Nature Communications、Acta Materialia、Composites Part B、International Journal of Plasticity、Journal of Materials Science and Technology、Materials and Design、Metallurgical and Materials Transactions A、Materials Science and Engineering A、金屬學(xué)報、中國有色金屬學(xué)報、稀有金屬材料與工程等國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文50余篇，獲得國家發(fā)明專利授權(quán)近 10 項，獲得2025年陜西省高校科技優(yōu)秀成果一等獎1項。課題組隸屬于孫軍院士科研團隊，以金屬材料強度全國重點實驗室為依托，長期致力于鈦合金微觀組織、力學(xué)性能、形變損傷斷裂及強韌化的研究。探索鈦合金在嚴酷環(huán)境下的微觀組織演化、力學(xué)性能響應(yīng)和形變損傷斷裂行為。在材料微觀組織設(shè)計、復(fù)雜相變表征、變形機理分析、高性能開發(fā)等方面具有較好的研究基礎(chǔ)和豐富的經(jīng)驗積累。

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