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西安交大孫軍院士團隊《JMST》封面：鈦合金強塑韌性協同提升新策略！

2025-05-09 15:38:26 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

第一作者：李可爾

通訊作者：陳威、張金鈺

通訊單位：西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室

DOI: 10.1016/j.jmst.2024.04.035

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本研究提出了一種全新的高強鈦合金組織-性能設計策略，通過“冷鍛+冷軋”雙聯工藝引入納米化扭折帶，使其在后續時效處理中介入調控次生α析出尺寸和形貌，從而在扭折帶內構筑超細等軸雙相（α+ β）結構，同時在扭折帶外形成多層級α析出相結構。這一獨特的組織使得Ti-V簡單二元鈦合金強度達到1636 MPa并具有較好的塑韌性匹配，媲美復雜多元高強鈦合金。這一成分“素化”的微結構設計策略為高性能鈦合金研發提供了新的思路和方向。

背景介紹

亞穩β鈦合金由于具有高比強度、良好的淬透性、耐蝕性以及可熱處理強化等性能優勢，在航空航天、國防軍工等領域獲得廣泛應用。其高強度主要通過時效過程中析出次生α相來實現，然而，合金提升強度的同時往往以犧牲塑韌性為代價，遵循著傳統的強度-塑性倒置矛盾，極大地限制了這類合金高強性能的開發和應用。

與普通位錯滑移、孿生切變和變形誘發相變不同，扭折（deformation kinking）是材料中一種不太常見的變形方式。這種變形方式通常出現在低對稱性晶體材料中，并展現了一定的強韌化能力。對于高對稱性體心立方亞穩β鈦合金，能否發生扭折變形？并進而利用于鈦合金的強韌化呢？在前期研究中，我們發現扭折在Ti-V二元鈦合金中能夠普遍發生并揭示了扭折的形成機理及組織演化特性(Journal of Alloys and Compounds, 2021, 875:159982; Journal of Materials Science and Technology, 2022, 120: 53–64)。進一步，我們設計了“冷鍛+冷軋”雙聯工藝，在合金中構筑了納米化扭折帶結構，實現了強塑韌性的同步提升 (Acta Materialia, 2024, 273: 119963; 國家發明專利，授權號: CN115612956B)。但是，合金獲得的強度處于1300MPa量級，與現有的高強鈦合金相比，顯得不足。因此，能否基于扭折介導實現強度的再提升并保持可觀的塑韌性成為亟待解決的問題。

本文亮點

我們創新性地設計了“冷鍛+冷軋+時效”三聯工藝(國家發明專利，授權號CN115786832B)，通過“冷鍛+冷軋”在Ti-V二元簡單鈦合金中引入納米扭折帶，進而借助時效形成多形態、跨尺度的次生α層級結構。這一獨特的微觀結構在變形時有效攔儲位錯、提升塑性應變配分、抵抗裂紋萌生擴展，實現了強度與塑韌性的同步提高。其獲得的強度高達1636MPa，使得簡單二元鈦合金具有媲美多元高強鈦合金的性能優勢。這一結構設計為高性能鈦合金研發加工提供了新的方向，其合金成分的“素化”可降低生產成本，有利于材料回收和資源再生利用。

圖文解析

圖1 Ti-V合金“冷鍛+冷軋+時效”三聯工藝及相應的組織演化

圖2 Ti-11V合金試樣的力學性能：(a)工程應力-應變曲線；(b)真應力-應變曲線和加工硬化率曲線；(c) Ti-11V合金與已報道的多元高強鈦合金的σ_b vs. ε_f性能對比；(d)非線性彈性能釋放率J（kJ?m^-2）隨裂紋擴展a（mm）變化的R-曲線；(e) 該合金與多種多元鈦合金的K_JIC vs. σ_y性能對比。

圖3 F+R-620°C合金樣品變形前的微觀組織：(a)晶內扭折帶的EBSD-IPF圖像。折線顯示的是沿"A-B"線穿過扭折帶的晶體取向差；(b)交替排列的時效扭折帶和β-基體的SEM-BSE圖像；(c)扭折帶與β-基體構成的層狀結構示意圖；(d)扭折帶的高倍BSE圖像；(e)扭折帶內的TEM形貌；(f)扭折帶內的HAADF表征及EDS分析；(g)扭折帶內α_e-析出相的粒徑統計；(h) β-基體的高倍BSE圖像；(i) β-基體上的TEM形貌；(j) β-基體上的HAADF表征；(k) β-基體上多種形態析出相的尺寸統計。

圖4 F+R-620°C樣品拉伸后的顯微組織：(a)、(b)、(c)和(d)分別對應于示意圖中的區域'a'，'b'，'c'和'd'。圖'a1'為β晶內的扭折形態。圖'a2'是扭折帶內的放大圖像。圖'b1'顯示了β-基體上分布的變形帶。圖'b2'是變形帶的放大圖像。圖'c1'是β晶粒在'c'區域的低倍放大。圖'c2'是圖'c1'中變形損傷扭折帶的高倍圖像。圖'd1'顯示了β晶內的整體形態。圖'd2'是扭折帶的高倍圖像。

圖5 F+R-620°C合金試樣在不同塑性變形階段β-基體的亞結構演變：(a) β-基體在ε = 2 %時的BF-TEM圖像；(b) β-基體上的DF圖像。插圖顯示相應的HAADF圖像；(c)高分辨透射電子顯微鏡( HRTEM )圖像，位錯標記為'⊥'；(d) β-基體在ε = 5 %時的BF-TEM圖像。圖'd1'顯示了局部變形區域。圖'd2'為非均勻塑性變形階段層級結構的HAADF圖像；(e)應變ε = 5 %時的局部剪切帶圖像。圖'e1'顯示了局部剪切帶的BF-TEM圖像。圖'e2'顯示了相應的DF-TEM圖像。

圖6 F+R-620°C合金試樣在不同塑性變形階段扭折帶內的亞結構演化：(a)應變ε = 2 %時，扭折帶內部的BF-TEM圖像；(b)為圖(a)中白色圓圈區域對應的SAED花樣；(c)扭折帶內等軸狀α_e-析出相的放大形貌；(d)應變ε = 5 %時，α_e-析出相的BF-TEM圖像；(e)為圖(d)中白色圓圈區域對應的SAED花樣；(f) α_e-析出相在扭折帶內部的HAADF圖像。

圖7 經過(a) 30 min，(b) 1 h和(c) 2 h不同時效時間，扭折帶內超細(α_e+β)雙相結構的形成過程；(d)組織演化示意圖。

圖8 F+R-620°C合金試樣中時效扭折帶對裂紋擴展的阻礙作用：(a)裂紋偏轉；(b)裂紋分叉；(c)裂紋終止。

總結與展望

本研究通過設計扭折介導的跨尺度、多層級α_s-析出結構，突破了高強鈦合金慣常的強度-塑性倒置矛盾。使得Ti-11V鈦合金在兼顧塑韌性的同時，大幅提高了強度水平。該策略可拓展應用于其它金屬材料體系，助力強塑韌性的提升。

作者介紹

第一作者：李可爾，2019年6月本科畢業于中國礦業大學，獲得工學學士學位。2019年9月考入西安交通大學材料科學與工程學院，碩博連讀，在陳威副教授的指導下從事鈦合金加工制備及強韌化研究，先后在Acta Materialia、Journal of Materials Science and Technology、Journal of Alloys and Compounds 等國內外學術期刊上發表論文11篇，獲得國家發明專利授權2項。

通訊作者：陳威，西安交通大學材料科學與工程學院副教授、博士研究生導師，孫軍院士科研團隊成員、曾任日本京都大學特定研究員。先后主持國家自然科學基金(4項)、國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目專題(1項)、陜西省自然科學基金(2項)、陜西省重點研發計劃“揭榜掛帥”項目、西安市重點實驗室基金、企校聯合攻關項目等各級項目課題40余項。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、金屬學報、中國有色金屬學報、稀有金屬材料與工程等國內外學術期刊上發表論文50余篇，獲得國家發明專利授權近 10 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、力學性能、形變損傷斷裂及強韌化的研究。探索鈦合金在嚴酷環境下的微觀組織演化、力學性能響應和形變損傷斷裂行為。在材料微觀組織設計、復雜相變表征、變形機理分析、高性能開發等方面具有較好的研究基礎和豐富的經驗積累。

引用本文

Keer Li, Wei Chen, Jinyu Zhang, Shewei Xin, Jun Sun, Making titanium alloys ultrahigh strength and toughness synergy through deformation kinks-mediated hierarchical α-precipitation, J. Mater. Sci. Technol. 207 (2025) 142-159.

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