1.背景介绍

高温钛合金凭借其高比强度、耐高温、耐腐蚀及良好加工性等综合性能优势，被广泛应用于航空航天领域关键构件的制备。轧制变形极易导致钛合金形成强烈的初始织构，其服役性能需通过热处理工艺实现微观组织与织构的协同调控。实际相变过程中普遍存在变体选择现象，导致特定取向α相变体优先析出，可能引起α相织构强化甚至形成微区织构。冷却控制是钛合金加工的关键环节，而关于冷却速率对α相变体选择行为的影响机理仍然存在争议，导致难以通过冷却参数优化对析出相取向和织构进行精确调控，成为制约合金工程应用的重要瓶颈之一。深入探究相变过程中晶体学取向演变与冷却参数的关联机制，不仅有助于深化钛合金组织织构精确调控的理论认知，更能为高温钛合金的加工制备与工程应用提供关键技术支撑。

2. 成果简介

近日，西北工业大学李金山教授团队通过微观组织表征和晶体学计算等工作，系统阐述了耐温650℃近α型钛合金Ti65的晶体学织构演变规律。通过深入对比分析不同冷却参数下相界、晶内及晶界区域的α相变体选择现象差异，系统揭示冷却速率对α相变体选择的作用机制，进而阐明不同冷却条件下初始织构演变差异的成因，建立冷却速率与α相织构演变的联系，为实现Ti65合金织构精确调控提供科学理论指导。相关工作以题为“Variant selection mechanism of α phase associated with initial texture and cooling rate in near-α titanium alloy Ti65”的研究论文发表在Materials Characterization。论文第一作者为博士研究生赵鼎，通讯作者为樊江昆教授，通讯单位为西北工业大学。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matchar.2025.114874

3. 图文解析

图1 炉冷Ti65合金箔材试样中的α相织构

缓冷过程Ti65合金的β→α相变主要通过等轴α相长大机制进行。由于α_s相的析出被抑制，在单向轧制0.1-UDR-FC试样、换向轧制0.1-CDR-FC试样和交叉轧制0.1-MSCR-FC试样的IPF图中并未观察到片层α相的存在。炉冷试样的α相织构组分继承自热轧态试样。但是，特定织构类型的强度变化却由于初始织构不同存在差异。例如，炉冷后0.1-UDR箔材中的横向织构增强，但0.1-MSCR箔材中的横向织构却减弱。三者的α相晶界取向差的分布规律相似，峰值集中于2°到5°之间。在图中60°和90°处并未观察到峰值，这是由于炉冷条件下α_s相的析出被抑制。

图2 多种常见β相轧制织构条件下α相偏离角标准分布图

图2展示了多种常见β相轧制织构条件下的α相偏离角标准分布图。可见c轴平行或接近平行于法向(ND)的α相晶粒，即隶属基面织构的α相晶粒更容易拥有较高的偏离角，而c轴集中在横向(TD)附近的α相晶粒，即隶属横向织构的α相晶粒则始终表现出较低的偏离角。这一结果证明，对Ti65合金薄板箔材而言，基面织构的α相晶粒更易在α→β相变过程中转变为高温β相晶粒，而横向织构的α相晶粒在α→β相变过程中更容易被保留。

图3 空冷Ti65合金箔材试样中的α相织构

冷却速率增加后，片层α_s相大量析出，此时空冷试样的α相织构变化明显。组织皆由等轴α_p相和细小片层α_p相组成。0.1-UDR-AC试样的α相以横向织构为主。0.1-CDR-AC试样的α相以基面偏RD织构为主，另外还存在微弱的横向织构。0.1-MSCR-AC试样α相织构的基面偏RD织构基本消失，但横向织构显著增强。空冷试样的α相晶界取向差分布存在多个峰值。

图4 α/β相界处的α相变体选择机制分析

图4给出α/β相界处的α相变体选择机制分析。在α_p/β相界上，α_s相晶粒的形核导致α_p-β界面的消失，同时形成α_p-α_s和α_s-β界面。α相变体间具有各异的α_p-β界面能。当母相β晶粒与相邻α_p相晶粒的取向关系满足Burgers取向关系，析出的α相变体倾向与α_p相晶粒保持一致或是接近的取向。这种选择可以最大程度减小α_p-α_s界面能，从而降低α_s相晶粒形核的吉布斯自由能。这种α相变体选择现象的作用机制不受冷却速率的影响。

图5 母相β晶内的α相变体选择机制分析

图5展示了母相β晶内的α相变体选择机制分析。在母相β晶内，α相变体选择现象表现为析出变体优先形成特定变体取向差。具体而言，冷却速率高的情况下，β→α相变过程中析出α相变体形成Type III变体取向差(63.26°/[-1055-3])可以最小化相变应变。冷却速率减缓后，α相变体间形核能的差异增大，促进特定α相变体的析出。在综合考虑界面能和相变应变的影响下，β→α相变过程倾向析出α相变体形成Type I (60°/[11-20])和Type II (60.83°/[-1.377 -1 2.377 0.359])变体取向差。

图6 β/β晶界处的α相变体选择机制分析

图6给出了β/β晶界处的α相变体选择机制分析。在β/β晶界处，α_GB相晶粒会尽可能同时与两个相邻β相晶粒保持Burgers取向关系。任何偏离Burgers取向关系的情况都会增加界面能和弹性能。由于取向不同，不同的α相变体间必然存在偏离角的差异，这便导致特定α相变体的优先析出。但当所有α相变体的偏离角都超过某一临界值，此时α相变体间界面能和弹性能的的差异将不再是决定特定变体优先析出的关键因素。统计结果表明，对Ti65合金而言，决定β/β晶界处α相变体选择机制的临界值保持在10°左右，其值不受冷却参数影响。

图7 快冷条件下β→α相转变过程中α相变体选择机制的示意图

在较高的冷却速率下，α相变体形核激活能差异的影响弱，母相β晶粒可以以细针状析出大量取向不同的α_s相晶粒。绝大多数α_s相于母相β晶内析出。因此，不同初始织构的空冷试样间，α相变体取向差分布却十分相近，母相β晶内析出的α相倾向形成Type III的变体取向差。冷速减缓后，α相变体形核激活能差异的影响增大。母相β晶粒以粗片层状少量析出α_s相晶粒。大量α_s相的析出受到α_p/β相界和β/β晶界的影响发生变体选择。初始织构的不同会导致高温下α_p/β相界和β/β晶界的差异。因此，热处理后无论是α相变体特征还是α相变体取向差分布都存在显著的差别。

根据上述结果，冷却速率显著影响近α钛合金的晶体学取向演变。冷却速率的降低导致Ti65合金β→α相变机制转变为以α_p相晶粒长大为主。该相变机制下，初始织构对α相织构演变的影响源于α→β相变过程中特定取向α相晶粒的优先相变：α_p相与相邻β相越符合Burgers取向关系，其在α→β相变过程中的留存概率越高。冷却速率的提高导致Ti65合金β→α相变机制转变为以β相基体析出α变体为主。该相变机制下，α_p/β相界与β/β晶界处的α相变体选择机制具有冷却速率不敏感性，而母相β晶内α变体选择机制呈现显著速率依赖性。当冷却速率增大时，晶内α相从优先形成Type I和Type II变体取向差转变为优先形成Type III变体取向差。因此，初始织构对α相变体选择机制的影响受控于冷却速率，其核心机制在于不同冷却条件下α_s相析出位置的差异性分布。具体表现为：在冷却速率较快的条件下，细小片层α相变体以在母相β晶内析出为主，导致初始织构的影响被削弱；在冷却速率较慢的条件下，粗大片层α相变体以沿α_p/β相界及β/β晶界析出为主，因而初始织构的影响被增强。

4. 引用文本

D. Zhao, J. K. Fan, Z. Z. Zhang, et al. Variant selection mechanism of α phase associated with initial texture and cooling rate in near-α titanium alloy Ti65. Materials Characterization, 2025, 223: 114874.