亞穩(wěn)態(tài)β-Ti合金具有高比強度、良好的時效淬透性和良好的耐腐蝕性等優(yōu)異性能，受到各行業(yè)的廣泛關(guān)注，特別是在要求高強度和良好延展性/韌性的航空航天領(lǐng)域。隨著使用要求的日益嚴格，人們嘗試通過各種熱機械工藝來調(diào)節(jié)微觀組織，以改善力學(xué)性能。其中晶界(GBs)和α/β相界(PBs)是控制鈦合金力學(xué)性能的兩個決定性因素。

本研究采用CBE策略，基于d電子理論和e/a電子濃度兩種半經(jīng)驗方法，設(shè)計了一種具有微米尺度亞晶的新型亞穩(wěn)β Ti-4.5Al-4.5Mo-7V-1.5Cr-1.5Zr (wt.%)合金。根據(jù)這種方法，我們制備了一種具有超細分層非均質(zhì)組織的超強延展性β-鈦合金，其特征是分布在納米級β-域的多結(jié)構(gòu)α沉淀。時效后的Ti-Al-Mo-V-Cr-Zr合金與鍛造后的Ti-Al-Mo-V-Cr-Zr合金相比，空冷后的Ti-Al-Mo-V-Cr-Zr合金具有多組織α析出，且具有較好的強度-塑性組合(屈服強度~ 1366 MPa，塑性~ 9.3%)。

在此，西安交通大學(xué)張靜言、匡杰等團隊進行了研究。制備了一種具有超細分層非均質(zhì)組織的超強延展性β-鈦合金。相關(guān)研究成果以題“Spinodal decomposition-mediated multi-architectured α precipitates making a metastable β-Ti alloy ultra-strong and ductile”發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030224000926

圖2所示。本研究中熱機械過程和后續(xù)時效熱處理的示意圖。

圖3所示。鍛造合金的形貌:(a) SEM圖像顯示αp相;(b) TEM圖像顯示亞晶界和αs，沿[110]β觀察插入的SAED模式顯示αs的存在。(c)顯示實驗室(紅線)和有害藻華(藍線)存在的EBSD方位圖;(d) αp尺寸分布，(e) αs寬度和長度分布，(f)亞晶粒尺寸分布。

圖4所示。鍛造合金的STEM表征結(jié)果。(a) HAADF-STEM(高角度環(huán)形暗場)圖像顯示明暗條紋結(jié)構(gòu);(a1, a2) (a)框框區(qū)域Ti和V元素的STEM-EDS圖;(b) HAADF-STEM圖像顯示了不同亞顆粒中分布的各種條紋方向和特定角度;(c) (b)中框狀區(qū)域的近照，顯示條紋結(jié)構(gòu)的細節(jié)(黃色虛線)和αs(白色箭頭);(d, e) TEM圖像顯示微觀結(jié)構(gòu)的細節(jié):條紋，α沉淀和SGBs。

圖6所示。時效合金的形貌。(a)亞微米級和微米級αp相的低倍率SEM圖像;(b)高倍掃描電鏡圖像，顯示納米級αs短相和長相，分別用藍色和橙色箭頭/圓圈標記;(c) EBSD表征結(jié)果:顯示lab(紅線)和HABs(藍線)存在的取向圖。插圖為失向角分布;(d)亞微米級和微米級αp粒徑分布;(e)納米尺度αs分布的寬度和長度。(f)亞粒度分布。

圖7。ST態(tài)簡單(a-a2)和不同時效時間的SEM和TEM形貌:(b-b2) 0 min(鍛造)，(c-c2) 2 min， (d-d2) 10 min， (e-e2) 6 h，然后進行水冷卻。

圖10。不同狀態(tài)下Ti合金的拉伸性能。(a)鍛造和時效試樣的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，插圖為相應(yīng)的拉伸數(shù)據(jù);(b)我們設(shè)計的合金與其他高強度β-Ti合金的屈服強度和總延伸率的比較

這項研究基于d電子理論和e/ A電子濃度兩種半經(jīng)驗方法，成功設(shè)計了新型雙相Ti-4.5Al-4.5Mo-7V-1.5Cr-1.5Zr亞穩(wěn)β-鈦合金。并對其相關(guān)的力學(xué)性能，微觀結(jié)構(gòu)特征，變形和強化機制進行了深入的研究。Spinodal分解結(jié)構(gòu)中的邊界在塑性變形中起著重要的作用，它既是位錯的屏障，提高了合金的強度，又是位錯的活躍區(qū)，促進了塑性應(yīng)變的擴展。

時效后的β-Ti合金在spinodal分解結(jié)構(gòu)的介導(dǎo)下，呈現(xiàn)出從微米級(初生αp)到納米級(次生αs)的多晶相，并均勻分布在β-疇內(nèi)。非均質(zhì)多晶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致拉伸過程中產(chǎn)生較大的背應(yīng)力，使時效的Ti-Al-Mo-V-Cr-Zr合金得到顯著強化。時效合金具有高屈服/抗拉強度(~ 1366/1424 MPa)和良好的延展性(~ 9.3%)。

由于其化學(xué)成分和晶格應(yīng)變的不均勻性，旋多分解結(jié)構(gòu)在形成多結(jié)構(gòu)α析出物中起著重要作用。一方面，這種結(jié)構(gòu)為αs板的形核提供了強大的驅(qū)動力，可以細化αs析出物。另一方面，它對αs變體的選擇也有強烈的影響，促進了相交和平行αs沉淀的形成。