文章导读
本文系统研究了衬板轧制温度对近α钛合金板材显微组织演变、拉伸性能及强韧化/软化机制的影响。结果表明，当轧制温度处于(α+β)两相区（950–1000 ℃）时，形成细小的等轴α组织；而当轧制温度升至单相β区（1100 ℃）时，则获得典型的篮网状组织。随着轧制温度升高，等轴细晶逐渐粗化并沿轧向拉长，同时等轴α相的动态再结晶行为受到抑制，其体积分数下降。LPR-950板材展现出优异的室温强塑性匹配（抗拉强度1347.8 MPa，延伸率6.61%）；LPR-1100板材在650 ℃下具有突出的高温承载能力（抗拉强度842.2 MPa）。细小的等轴晶借助高初始位错密度和弥散分布的S2型硅化物析出相，显著促进了连续与不连续动态再结晶，从而提升室温强度。然而，高温下大量的晶界软化导致其高温力学性能下降。相反，篮网状组织中软硬α相之间发生显著的变形不协调，诱导高密度几何必需位错在α片层间累积，并产生长程背应力，从而大幅提高高温强度。
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.189254
背景介绍
近α高温钛合金因具有高比强度、良好的抗蠕变性能以及在中高温服役条件下优异的组织稳定性，被广泛应用于航空发动机、飞机蒙皮和燃气轮机等关键热端部件。随着新一代航空装备对服役温度和使用寿命的要求日益苛刻，传统近α钛合金在成分设计和组织调控方面逐渐暴露出局限性，尤其是单一强化元素难以精确调控α/β相比例，且微量强化元素（如Si、C）的添加不足，导致高温强化效果有限，难以满足新一代发动机热端部件的严苛服役需求。因此，如何在热加工过程中实现组织的精准调控，成为当前研究的热点与难点。
轧制作为钛合金板材成形和组织控制的核心技术，在工程应用中占据主导地位。多道次轧制能够细化晶粒、优化织构，从而改善拉伸强度和塑性。然而，常规轧制工艺缺乏有效的隔热措施，导致板材表面与心部存在温度梯度，易造成组织不均匀，严重制约整体力学性能的提升，尤其对高温钛合金而言，这一问题更为突出。因此，亟需拓宽高温钛合金的组织调控窗口，以突破性能瓶颈。
近年来，衬板轧制技术在轻合金（特别是镁合金）体系中的成功应用为解决上述问题提供了新思路。研究表明，衬板轧制通过引入衬板并增大单道次压下量，可在短时间内有效细化粗晶并均匀化组织，获得双模态结构，实现优异的强塑性匹配。将衬板轧制技术拓展至高温钛合金的加工，利用其提供的稳定温度场和应力场，有望在有限热输入条件下实现更高的热加工效率，显著拓宽组织调控窗口，为高温钛合金的组织均匀化和性能提升提供新策略。
与此同时，轧制温度是决定显微组织演化的关键因素。通过在α+β两相区轧制，可促进等轴组织形成，增强α相动态再结晶，细化晶粒，显著改善力学性能；而在β单相区轧制，则形成篮网状组织，其高温变形抗力随α片层体积分数增加而提高。现有研究已明确了常规近α钛合金在成分设计和组织稳定性方面的固有不足，并针对传统成分和常规轧制工艺下的温度调控和组织演化进行了大量研究。然而，对于新型近α钛合金在衬板辅助下跨越α+β两相区和β单相区进行变温轧制时，等轴组织和篮网状组织在650 ℃下的强软化机制、位错演化规律以及背应力强化贡献尚不清楚。因此，迫切需要系统研究该合金在变温轧制下的热变形机制，揭示典型显微组织与高温强度-软化行为的内在关联。
本研究以自主设计的新型近α高温钛合金（Ti-6Al-3Sn-7Zr-2Mo-1Nb-1W-0.45Si-0.2C）为对象，采用不同温度下的单道次衬板轧制工艺，系统考察轧制温度对显微组织和力学性能的影响，重点揭示不同组织的动态再结晶行为及位错演化机制对性能的调控规律，为高温钛合金板材在高温服役条件下的工程应用提供理论支撑。
材料制备与实验方法
材料制备：以真空感应悬浮熔炼炉熔炼名义成分为Ti-6Al-3Sn-7Zr-2Mo-1Nb-1W-0.45Si-0.2C的合金锭，反复重熔三次以保证成分均匀。通过JMatPro软件模拟结合金相法测定该合金的β相变点约为1060±5 ℃。铸锭经1050 ℃保温1 h后进行开坯锻造，以破碎铸态组织，并促进硅化物预析出。随后进行固溶处理使硅化物充分回溶，淬火后获得高应变的α'马氏体组织。
衬板轧制：将淬火板在真空条件下分别加热至950 ℃、1000 ℃、1050 ℃和1100 ℃，保温30 min后，采用304不锈钢作为衬板，进行单道次轧制，压下量为50%，轧制速度为5 mm/s。对应试样分别记为LPR-950、LPR-1000、LPR-1050和LPR-1100。
显微组织表征：采用JEOL JSM-IT500扫描电镜进行微观组织观察；EBSD试样经电解抛光和氩离子截面抛光后，使用HKL Channel 5和ATEX软件分析数据。透射电镜观察采用FEI Tecnai F30，试样经机械减薄和离子减薄制备。利用Digital Micrograph软件处理TEM图像。
力学性能测试：室温拉伸在Instron 5969万能试验机上进行，应变速率为0.5 mm/min；高温（650 ℃）拉伸应变速率为1 mm/min，测试前保温5 min以确保热平衡。每个条件至少重复三次。
实验结果展示
图1 衬板轧制工艺路线示意图。
图2 轧制后合金的显微组织。（a）LPR-950 SEM图像；（b）LPR-1000 SEM图像；（c）LPR-1050 SEM图像；（d）LPR-1100 SEM图像；（e）α片层宽度；（f）S2相尺寸；（g）LPR-950 TEM图像；（h）HAADF图及对应EDS面扫描；（i）硅化物/α相界面FFT图像。
图3 LPR-950、LPR-1000、LPR-1050和LPR-1100合金的EBSD结果。（a-d）IPF图；（a1-d1）KAM图；（a2-d2）（0001）基面极图；（a3-d3）（10-10）柱面极图。
图4 不同温度轧制的高温钛合金板材在室温及高温下的拉伸应力-应变曲线。（a）室温工程应力-应变曲线；（b）650 ℃工程应力-应变曲线；（c）本工作材料与其它材料高温性能对比。
图5 LPR-950合金屈服强度的理论计算值与实际值对比。
图6 LPR-950合金的再结晶行为。（a）IPF图；（b）KAM图；（c）GOS图；（c1、c2）再结晶晶粒分析。
图7 LPR-950合金的位错演化分析。（a）IMAM图；（a1-a2）晶粒滑移迹线分析图；（b）滑移系统计图；（c）施密特因子大于0.4的滑移系统计；（d、e）位错类型统计；（f、g）硅化物附近位错类型统计。
图8 LPR-1100合金的再结晶和位错类型分析。（a）IPF图；（b）KAM图；（c）GOS图；（d）IMAM图；（e）滑移系统计图；（c1）晶粒滑移迹线分析图；（c2）变形晶粒分析；（f、g）单晶内位错组态。
图9 LPR-1100合金的位错演化分析。（a）GND图；（a1、a2）单晶内GND密度分析；（b、c）晶粒内位错分布；（d）α相界面HRTEM图像；（d1、d2）白色框区域IFFT和FFT；（e、f）TEM图像中晶内位错集中与缠结；（g、g1、g2）α/β相界面HRTEM及对应GPA应变图；（h）图（g）中红色框区域IFFT。
图10 LPR-950合金高温软化机制与LPR-1100合金高温强化机制示意图。（a）拉伸前LPR-950晶内位错及硅化物分布；（b）拉伸后LPR-950晶粒再结晶行为及硅化物作用；（c）拉伸前LPR-1100中α_s/α_p位错分布；（d）拉伸后LPR-1100中α_s/α_p相内位错运动行为分析。
主要研究内容和机制解析
本研究以新型近α高温钛合金为对象，采用单道次大压下衬板轧制，在α+β两相区（950、1000、1050 ℃）和β单相区（1100 ℃）分别制备出等轴α组织和篮网状组织，系统揭示了轧制温度对显微组织、室温及高温力学性能的影响规律，并重点阐释了两种典型组织在室温和高温下的强化与软化机制。
主要发现：
在950 ℃和1000 ℃轧制时，获得均匀细小的等轴α晶粒，动态再结晶充分，晶界以高角度晶界为主，位错密度低，织构弱。随温度升至1050 ℃（接近相变点），组织转变为等轴α+片层α的三态结构。升至1100 ℃时，形成完全篮网状组织，α片层宽度显著细化（约0.375 μm），且大部分S2硅化物溶解。
力学性能方面，LPR-950在室温下取得最优强塑性匹配（UTS=1347.8 MPa，EL=6.61%），其室温强化主要来源于细晶强化（贡献约61%），辅以位错强化、Orowan强化和热错配强化。而LPR-1100室温塑性较差，归因于篮网状组织在室温下变形不协调，易在片层尖端形成裂纹源。
高温（650 ℃）下，LPR-950的强度显著下降（UTS约580 MPa），但塑性良好；LPR-1100则表现出最高的高温强度（UTS=842.2 MPa）和良好的延伸率（15.8%）。
机制解析：（1）LPR-950的高温软化机制：等轴细晶在高温拉伸过程中进一步发生动态再结晶，晶粒尺寸从1.65 μm细化至0.69 μm，低角度晶界分数大幅下降，高角度晶界达到94.3%。再结晶消耗了储存能，降低了位错密度，同时晶界和相界滑移加剧，导致明显的软化。位错分析表明，高温下锥面<c+a>滑移成为主导滑移系（占比超过80%），其激活有助于释放内应力，提高塑性，但无法抵消晶界强度的降低。S2硅化物虽能钉扎位错，但在高温下其对位错的阻碍作用减弱，非基面滑移广泛参与变形协调，进一步促进软化。
（2）LPR-1100的高温强化机制：篮网状组织中粗大的α片层交错分布，高温拉伸时未发生明显再结晶，低角度晶界分数反而增加至32.6%，形成连续的位错障碍。由于软（粗大α）和硬（超细α及β）相之间的变形不协调，在相界处累积了大量几何必需位错（GND密度达5.54×10^14 m^-2），产生显著的应变梯度和长程背应力，有效阻碍后续位错运动，维持了加工硬化能力。同时，多滑移系（基面<a>、柱面<a>、锥面<c+a>）协调变形，进一步提高了高温变形稳定性和承载能力。
综上，衬板轧制温度通过调控动态再结晶行为，决定了最终组织形态——等轴晶或篮网状，进而主导了从室温细晶强化到高温背应力强化的机制转变，为近α钛合金的性能定制提供了新途径。
文章总结
本文系统研究了衬板轧制温度（950~1100 ℃）对新型近α钛合金显微组织及力学性能的影响，明确了在α+β两相区轧制可获得细等轴α组织，并借助细晶强化、位错强化及硅化物弥散强化实现优异的室温强塑性匹配（LPR-950：UTS 1347.8 MPa，EL 6.61%），但高温下因晶界软化及动态再结晶导致强度显著下降；而在β单相区轧制则形成篮网状组织，尽管室温塑性不佳，但在650 ℃下由于软硬α相间的变形不协调诱发了高密度几何必需位错和长程背应力，有效抑制了位错运动并维持加工硬化，从而获得突出的高温承载能力（LPR-1100：UTS 842.2 MPa）。该研究表明，衬板轧制温度的合理选择可实现在室温强化与高温强化机制之间的切换，为近α高温钛合金板材的组织调控和性能优化提供了重要的理论与实验依据。
