太原理工大学 Materials & Design 通过低温预拉伸技术实现异质等轴结构钛合金 Ti-6Al-4V 板材中强度与延展性协同增强

在商用钛合金中实现优异的强度-延展性平衡一直被认为是一项具有挑战性的任务。在本研究中，我们通过液氮温度下的低温预拉伸，在 Ti-6Al-4V 合金中设计了一种异质等轴结构。结果表明，与原始态合金（分别为 840 MPa/930 MPa 和 16.3%）相比，对该合金进行 7.1% 的低温预拉伸可使其屈服/抗拉强度提高至 952 MPa/1005 MPa，并保持 16.1% 的高延伸率。与常温变形相比，低温变形能促进基面滑移系激活、位错积累和 α 相晶粒的碎化。对于异质等轴结构，大的等轴 α 晶粒与小的碎化 α 晶粒之间的晶界作为位错运动的障碍，引起了显著的应变梯度和背应力强化效应，从而提高了强度。另一方面，层片状 α 相的碎化释放了低温预拉伸过程中较大的局部应力集中，保持了合金的高加工硬化能力。此外，具有相似晶体取向的平行层片状 α 晶粒（即宏区）在低温预拉伸后被破坏，这有利于阻碍变形过程中的裂纹扩展。本研究为克服钛合金的强度-延展性权衡难题提供了新的见解。

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.113563

钛合金因其高比强度、优异的耐腐蚀性、突出的断裂韧性和良好的生物相容性，已广泛应用于航空航天、汽车、化工、武器装备和医疗保健等领域。尽管如此，在钛合金中同时追求高强度和高延展性，一直是材料科学领域一项持久的挑战与目标。通常，粗晶钛合金虽表现出高延展性但强度较低，难以满足各种先进钛合金部件的高要求。反之，晶粒细化被证实是提高钛合金强度的有效途径。然而，晶粒细化带来的强化通常伴随着延展性和成形性的牺牲。纳米结构钛合金的低延展性已成为其工业应用的主要障碍。

过去几十年间，异质结构材料因其相比均质材料更优越且独特的力学性能而备受关注。迄今为止，已设计和开发出大量异质结构，包括晶粒尺寸、晶粒形貌、相组成、化学成分以及多类型析出物的变化。异质结构中不均匀区域之间的相互作用和协同效应导致了性能的显著提升，其表现通常超出混合法则的预测。例如，金属和合金中的梯度结构可以在不过多牺牲延展性的情况下提高屈服强度和抗拉强度。研究者普遍认为，这种优异的强度-延展性协同效应源于异质变形诱导（HDI）的背应力强化和应变硬化，其中背应力强化提高了屈服强度，而应变硬化有助于保持并改善延展性。

对于钛合金，已投入巨大努力来设计和开发兼具高强度与高延展性的异质结构，例如异质层片结构、相梯度结构和晶粒尺寸梯度结构。(I) 异质层片结构包含不同厚度的层片状α晶粒。Wu等人通过获得含有粗大和超细层片α析出相的Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr异质结构合金，实现了6%的极限抗拉强度提升和130%的显著延伸率提升。增强的强度归因于细/粗层片边界处的应变分配诱导的背应力。高延展性则源于位错和孪晶的充分激活以及对应变局部化的抑制。Wu等人设计了一种含有软质粗大层片α和硬质超细层片α的异质结构纯钛。其异常高的强度是由异质屈服和位错硬化产生的高背应力所致。(II) 相梯度结构通常包含钛的几种不同相，如α、β、α'马氏体和α"马氏体。Li等人报道了一种含有软α相和硬α"相的异质结构Ti6Al4V-Cu合金。α"相中的形变孪晶以及α/α"异质界面共同贡献了约1.3 GPa的高抗拉强度和约15%的大延伸率。Zhang等人提出了一种具有改善的强度-延展性协同效应的分级纳米结构Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al合金。增强的屈服强度源于纳米α'马氏体的致密界面，而大延展性则归因于分级α+α'+β结构的多阶段应变硬化。(III) 晶粒尺寸梯度结构通常由纳米晶层和粗晶层构成。晶粒尺寸从纳米晶层向粗晶层逐渐增加，从而改善了力学性能。Zhang等人通过热变形和热处理，在Ti-1.8Al-7.8Mo-3.7Cr-6.7Zr合金中实现了优异的强度-延展性平衡。梯度等轴晶将屈服强度提高至639 MPa，总延伸率提高至18.6%。Wang等人发现，从样品表面向内部分布的梯度晶粒尺寸能够抑制应变局部化，从而提供额外的应变硬化，使Ti-6Al-4V合金具有高延展性。

上述晶粒尺寸梯度结构通常通过表面塑性变形或不均匀塑性变形获得，例如表面机械研磨处理和表面机械碾磨处理。因此，此类钛合金中的晶粒尺寸分布更倾向于逐层分布，即细晶位于表面，粗晶位于内部区域。这意味着由于HDI背应力强化源于细/粗晶粒界面，其强化效应可能仅存在于深度方向。因此，可以推测，实现更不均匀的结构可能进一步改善钛合金的力学性能。迄今为止，很少有研究探究含有混合细/粗等轴α晶粒的异质结构钛合金，其中合金内的晶粒尺寸分布完全不均匀且与深度无关。

传统塑性变形技术通常在高温和常温下进行，例如热/冷锻造和热/冷轧。相比之下，液氮温度（约77 K）下的低温变形可以向合金中引入更多位错并强烈抑制动态回复，常用于制备高强度的超细晶合金。Won等人通过低温变形在纯钛中获得了超细晶微观结构。孪晶诱导的晶粒细化将钛板的屈服强度从178 MPa显著提高到789 MPa。Hu等人研究了低温预变形对Ti-Mo合金微观结构和力学性能的影响。低温预变形诱导的高密度位错和形变孪晶使其屈服强度从527 MPa显著提高到778 MPa。Yu等人研究了经过冷轧、非对称轧制和非对称低温轧制的Ti-6Al-4V合金的微观结构和力学性能。非对称低温轧制合金的高抗拉应力（1113 MPa）归因于更小的晶粒尺寸、更小的第二相尺寸以及更高的位错密度。以往的研究表明，低温变形是通过晶粒细化提高钛及钛合金强度的有效方法。然而，很少有研究关注通过低温变形来制备具有强度-延展性平衡的异质结构钛合金。在我们先前的工作中，我们证明了低温锻造是使双峰组织Ti-6Al-4V合金中层片状α晶粒碎化为细小球状α晶粒的有效方法。该方法提供了一种从双峰组织获得异质细/粗等轴结构的可行途径。需要强调的是，传统的热变形和常温变形也能导致层片α相碎化和球化。然而，由于高温下动态回复和动态再结晶的发生，热变形产生的强化效果不如低温变形显著。常温变形可以通过加工硬化强化合金，但由于相比低温变形流变应力较低，层片α相的碎化变得更为困难。因此，与传统成形方法相比，低温变形可能更适合制备上述异质等轴结构。

Ti-6Al-4V合金是各行业中最具代表性和最常用的钛合金。尽管如此，由于先进结构部件日益提高的要求以及新开发钛合金的挑战，有必要进一步提高Ti-6Al-4V合金的力学性能。因此，在本工作中，我们使用典型的双峰组织Ti-6Al-4V合金进行研究。通过在液氮温度下进行低温预拉伸，获得了具有异质等轴结构的Ti-6Al-4V合金板材。利用多种表征技术阐明了低温预拉伸过程中的微观结构演变和变形机制。并详细讨论了改善的力学性能与异质等轴结构之间的关系。

图1. Ti-6Al-4V合金板材在低温和常温预拉伸过程中的载荷-位移曲线。

图3. 预拉伸Ti-6Al-4V合金的光学显微结构：(a) 5.0% 低温拉伸（CS）；(b) 5.8% CS；(c) 7.1% CS；(d) 8.5% 常温拉伸（AS）。

图4. 预拉伸Ti-6Al-4V合金的EBSD带衬度图叠加取向图：(a) 5.0% CS；(b) 5.8% CS；(c) 7.1% CS；(d) 8.5% AS。图(a)至(d)对应的反极图（IPF）分别显示在(a1)至(d1)中。

图5. 预拉伸Ti-6Al-4V合金的EBSD带衬度图叠加晶界分布图：(a) 5.0% CS；(b) 5.8% CS；(c) 7.1% CS；(d) 8.5% AS。

图6. 预拉伸Ti-6Al-4V合金的EBSD带衬度图叠加KAM（核平均取向差）分布图：(a) 5.0% CS；(b) 5.8% CS；(c) 7.1% CS；(d) 8.5% AS。(e) 根据图(a)至(d)计算的KAM值分布。

图7. 原始态及预拉伸Ti-6Al-4V合金的拉伸性能：(a) 工程应力-应变曲线；(b) 加工硬化率曲线；(c) 本研究7.1% CS Ti-6Al-4V合金与一些典型商用钛及钛合金的对比

图8. 拉伸测试后Ti-6Al-4V合金的断口形貌：(a) 原始态；(b) 5.0% CS；(c) 5.8% CS；(d) 7.1% CS；(e) 8.5% AS。图(a)至(e)对应的放大区域分别显示在图(a1)至(e1)中。

图12. 7.1% CS合金的TEM显微结构：(a) STEM-DFI（暗场）图像；(b) STEM-BFS图像；(c)-(f) 图(b)中标记区域的放大图像。

图13. 图12(e)、(f)、(b)中标记区域的高分辨TEM图像：(a)、(d)、(g)。 (b1-b2) 和 (c1-c2) 图(a)中标记区域的FFT衍射谱和IFFT图像。(e1-e2) 和 (f) 图(d)中标记区域的FFT衍射谱和IFFT图像。(h1-h2) 和 (i) 图(g)中标记区域的FFT衍射谱和IFFT图像。

图15. 拉伸断裂后7.1% CS合金中，显示大、小等轴晶粒间晶界处位错塞积的STEM-BFS图像：(a)、(b)。 (c) 图(b)中标记区域的高分辨TEM图像及其FFT衍射谱。(d) 图(c)中标记区域的IFFT图像。

图16. 拉伸断裂后7.1% CS合金中，显示亚晶界处位错塞积的STEM-BFS图像：(a)、(b)。 (c) 图(a)中标记区域的高分辨TEM图像及其FFT衍射谱。(d) 图(c)中标记区域的IFFT图像。

图17. (a, b) 7.1% CS 和 (c, d) 8.5% AS 合金拉伸测试后ND-TD平面上的断口形貌。

图18. (a)-(d) 低温预拉伸过程中层片α相碎化的示意图；(e) 拉伸试验中异质等轴结构背应力强化的示意图。

本文的核心研究内容是：探索并验证通过低温预拉伸技术，在商用Ti-6Al-4V合金中构建“异质等轴结构”，以实现强度与延展性协同提升的可行性。

具体研究工作包括：

1. 材料与工艺设计：

• 选用具有典型“双峰组织”的Ti-6Al-4V合金板材作为初始材料。

• 创新性地采用液氮温度下的预拉伸作为主要处理工艺，并将其与常温预拉伸进行对比。

• 设置了不同的预拉伸应变（5.0%， 5.8%， 7.1% 低温；8.5% 常温），以研究变形量对微观结构和性能的影响。

2. 微观结构演变表征：

• 系统研究了预拉伸过程中，特别是低温条件下，合金微观组织的动态变化。

• 重点关注 “层片状α相”的碎化过程，以及最终形成的“大尺寸等轴α晶粒”与“细小碎化α晶粒”混杂的异质结构。

• 运用OM、SEM-EBSD、TEM等多种先进表征手段，详细分析了晶粒形貌、取向、晶界类型、位错密度与组态等微观特征。

3. 力学性能评价：

• 对处理前后的合金进行室温拉伸测试，获取屈服强度、抗拉强度、延伸率及加工硬化率等关键力学性能数据。

• 通过Bauschinger加载-卸载-再加载实验，定量评估了由异质结构产生的背应力。

• 分析了断口形貌，关联了宏观断裂行为与微观结构特征。

4. 构效关系与机理阐明：

• 将独特的“异质等轴结构”与“优异的强度-延展性协同效应”直接关联。

• 深入揭示了低温变形促进层片α相碎化的微观机制，以及异质结构产生背应力强化和维持高加工硬化能力的内在原理。

论文阐明了实现性能提升的四大核心机制：

1. 层片α相的低温碎化机制：

• 驱动力： 低温（~77 K）变形显著抑制动态回复，导致位错快速累积，形成高密度的位错墙和胞状结构。

• 关键过程： 高流变应力促进了基面滑移系与柱面滑移系的共同激活。多滑移系的开动使层片α晶粒更易发生晶格旋转。

• 演化路径： 累积的位错结构先演化为小角度晶界，随变形继续进一步转化为大角度晶界，最终将平行的层片α“切割”、碎化成具有不同取向的细小等轴α晶粒，从而破坏原有的α宏区。

2. 异质结构背应力强化机制：

• 软/硬域产生： 在形成的异质结构中，未变形的大等轴α晶粒相对较“软”，而细小碎化的α晶粒因位错密度高、晶界多而较“硬”。

• 应变梯度和GNDs： 变形时，软硬域之间产生不均匀塑性应变，为协调变形，几何必需位错在域界处（特别是大角度晶界）大量塞积。

• 长程应力场： 塞积的GNDs产生强烈的长程内应力，即背应力。该背应力反向作用于软域，提高了其发生塑性屈服所需的应力，从而显著提升了合金的整体屈服强度和抗拉强度。LUR实验证实了7.1% CS合金具有最大的背应力。

3. 高加工硬化能力维持机制：

• 应力集中释放： 层片α的剧烈碎化和大量新晶界的形成，有效释放了预变形中积累的局部应力集中，保留了材料后续变形的潜力。

• 位错存储能力提升： 多滑移系的激活促进了位错之间的相互作用和湮灭，反而提高了材料的位错存储容量。

• 结果： 尽管经过预变形，异质结构合金仍能保持与原始态合金相近的高加工硬化率，这是其获得大均匀延伸的关键。

4. 裂纹扩展抑制机制：

• 宏区破坏： 原始合金中平行排列、取向相似的层片α“宏区”是裂纹快速扩展的通道。低温预拉伸彻底破坏了这种宏区结构。

• 裂纹扩展路径转向： 取而代之的细小、随机取向的碎化α晶粒及大量大角度晶界，成为裂纹扩展的有效障碍，迫使裂纹路径变得曲折（穿晶→沿晶或转向），消耗更多能量，从而提升了断裂韧性，有益于延展性。