西安交大孙军院士团队《JMST》封面：钛合金强塑韧性协同提升新策略！

2025-05-09 15:38:26 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

第一作者：李可尔

通讯作者：陈威、张金钰

通讯单位：西安交通大学金属材料强度全国重点实验室

DOI: 10.1016/j.jmst.2024.04.035

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本研究提出了一种全新的高强钛合金组织-性能设计策略，通过“冷锻+冷轧”双联工艺引入纳米化扭折带，使其在后续时效处理中介入调控次生α析出尺寸和形貌，从而在扭折带内构筑超细等轴双相（α+ β）结构，同时在扭折带外形成多层级α析出相结构。这一独特的组织使得Ti-V简单二元钛合金强度达到1636 MPa并具有较好的塑韧性匹配，媲美复杂多元高强钛合金。这一成分“素化”的微结构设计策略为高性能钛合金研发提供了新的思路和方向。

背景介绍

亚稳β钛合金由于具有高比强度、良好的淬透性、耐蚀性以及可热处理强化等性能优势，在航空航天、国防军工等领域获得广泛应用。其高强度主要通过时效过程中析出次生α相来实现，然而，合金提升强度的同时往往以牺牲塑韧性为代价，遵循着传统的强度-塑性倒置矛盾，极大地限制了这类合金高强性能的开发和应用。

与普通位错滑移、孪生切变和变形诱发相变不同，扭折（deformation kinking）是材料中一种不太常见的变形方式。这种变形方式通常出现在低对称性晶体材料中，并展现了一定的强韧化能力。对于高对称性体心立方亚稳β钛合金，能否发生扭折变形？并进而利用于钛合金的强韧化呢？在前期研究中，我们发现扭折在Ti-V二元钛合金中能够普遍发生并揭示了扭折的形成机理及组织演化特性(Journal of Alloys and Compounds, 2021, 875:159982; Journal of Materials Science and Technology, 2022, 120: 53–64)。进一步，我们设计了“冷锻+冷轧”双联工艺，在合金中构筑了纳米化扭折带结构，实现了强塑韧性的同步提升 (Acta Materialia, 2024, 273: 119963; 国家发明专利，授权号: CN115612956B)。但是，合金获得的强度处于1300MPa量级，与现有的高强钛合金相比，显得不足。因此，能否基于扭折介导实现强度的再提升并保持可观的塑韧性成为亟待解决的问题。

本文亮点

我们创新性地设计了“冷锻+冷轧+时效”三联工艺(国家发明专利，授权号CN115786832B)，通过“冷锻+冷轧”在Ti-V二元简单钛合金中引入纳米扭折带，进而借助时效形成多形态、跨尺度的次生α层级结构。这一独特的微观结构在变形时有效拦储位错、提升塑性应变配分、抵抗裂纹萌生扩展，实现了强度与塑韧性的同步提高。其获得的强度高达1636MPa，使得简单二元钛合金具有媲美多元高强钛合金的性能优势。这一结构设计为高性能钛合金研发加工提供了新的方向，其合金成分的“素化”可降低生产成本，有利于材料回收和资源再生利用。

图文解析

图1 Ti-V合金“冷锻+冷轧+时效”三联工艺及相应的组织演化

图2 Ti-11V合金试样的力学性能：(a)工程应力-应变曲线；(b)真应力-应变曲线和加工硬化率曲线；(c) Ti-11V合金与已报道的多元高强钛合金的σ_b vs. ε_f性能对比；(d)非线性弹性能释放率J（kJ∙m^-2）随裂纹扩展a（mm）变化的R-曲线；(e) 该合金与多种多元钛合金的K_JIC vs. σ_y性能对比。

图3 F+R-620°C合金样品变形前的微观组织：(a)晶内扭折带的EBSD-IPF图像。折线显示的是沿"A-B"线穿过扭折带的晶体取向差；(b)交替排列的时效扭折带和β-基体的SEM-BSE图像；(c)扭折带与β-基体构成的层状结构示意图；(d)扭折带的高倍BSE图像；(e)扭折带内的TEM形貌；(f)扭折带内的HAADF表征及EDS分析；(g)扭折带内α_e-析出相的粒径统计；(h) β-基体的高倍BSE图像；(i) β-基体上的TEM形貌；(j) β-基体上的HAADF表征；(k) β-基体上多种形态析出相的尺寸统计。

图4 F+R-620°C样品拉伸后的显微组织：(a)、(b)、(c)和(d)分别对应于示意图中的区域'a'，'b'，'c'和'd'。图'a1'为β晶内的扭折形态。图'a2'是扭折带内的放大图像。图'b1'显示了β-基体上分布的变形带。图'b2'是变形带的放大图像。图'c1'是β晶粒在'c'区域的低倍放大。图'c2'是图'c1'中变形损伤扭折带的高倍图像。图'd1'显示了β晶内的整体形态。图'd2'是扭折带的高倍图像。

图5 F+R-620°C合金试样在不同塑性变形阶段β-基体的亚结构演变：(a) β-基体在ε = 2 %时的BF-TEM图像；(b) β-基体上的DF图像。插图显示相应的HAADF图像；(c)高分辨透射电子显微镜( HRTEM )图像，位错标记为'⊥'；(d) β-基体在ε = 5 %时的BF-TEM图像。图'd1'显示了局部变形区域。图'd2'为非均匀塑性变形阶段层级结构的HAADF图像；(e)应变ε = 5 %时的局部剪切带图像。图'e1'显示了局部剪切带的BF-TEM图像。图'e2'显示了相应的DF-TEM图像。

图6 F+R-620°C合金试样在不同塑性变形阶段扭折带内的亚结构演化：(a)应变ε = 2 %时，扭折带内部的BF-TEM图像；(b)为图(a)中白色圆圈区域对应的SAED花样；(c)扭折带内等轴状α_e-析出相的放大形貌；(d)应变ε = 5 %时，α_e-析出相的BF-TEM图像；(e)为图(d)中白色圆圈区域对应的SAED花样；(f) α_e-析出相在扭折带内部的HAADF图像。

图7 经过(a) 30 min，(b) 1 h和(c) 2 h不同时效时间，扭折带内超细(α_e+β)双相结构的形成过程；(d)组织演化示意图。

图8 F+R-620°C合金试样中时效扭折带对裂纹扩展的阻碍作用：(a)裂纹偏转；(b)裂纹分叉；(c)裂纹终止。

总结与展望

本研究通过设计扭折介导的跨尺度、多层级α_s-析出结构，突破了高强钛合金惯常的强度-塑性倒置矛盾。使得Ti-11V钛合金在兼顾塑韧性的同时，大幅提高了强度水平。该策略可拓展应用于其它金属材料体系，助力强塑韧性的提升。

作者介绍

第一作者：李可尔，2019年6月本科毕业于中国矿业大学，获得工学学士学位。2019年9月考入西安交通大学材料科学与工程学院，硕博连读，在陈威副教授的指导下从事钛合金加工制备及强韧化研究，先后在Acta Materialia、Journal of Materials Science and Technology、Journal of Alloys and Compounds 等国内外学术期刊上发表论文11篇，获得国家发明专利授权2项。

通讯作者：陈威，西安交通大学材料科学与工程学院副教授、博士研究生导师，孙军院士科研团队成员、曾任日本京都大学特定研究员。先后主持国家自然科学基金(4项)、国家重点基础研究发展计划(973计划)项目专题(1项)、陕西省自然科学基金(2项)、陕西省重点研发计划“揭榜挂帅”项目、西安市重点实验室基金、企校联合攻关项目等各级项目课题40余项。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、金属学报、中国有色金属学报、稀有金属材料与工程等国内外学术期刊上发表论文50余篇，获得国家发明专利授权近 10 项。课题组隶属于孙军院士科研团队，以金属材料强度全国重点实验室为依托，长期致力于钛合金微观组织、力学性能、形变损伤断裂及强韧化的研究。探索钛合金在严酷环境下的微观组织演化、力学性能响应和形变损伤断裂行为。在材料微观组织设计、复杂相变表征、变形机理分析、高性能开发等方面具有较好的研究基础和丰富的经验积累。

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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