【原】上海交大崔振山团队《Acta Materialia》《JAC》：近α钛合金"微织构带"消除机制与调控

局部晶体取向分布不均，即“微织构带”是钛合金中常见的一种显微组织缺陷，其存在会显著降低航空发动机用叶盘、叶片等钛合金零部件的疲劳性能，甚至威胁飞机飞行安全。然而由于钛合金热加工“工艺窗口”窄、α相各向异性明显，且变形时涉及多种组织演化方式，如动态回复、动态再结晶、相变变体选择和孪晶等，初始锻坯中的“微织构带”在后续热加工过程中往往难以消除，具有很强的“顽固性”。

上海交通大学崔振山教授团队以近α高温钛合金为研究对象，研究了近α钛合金“微织构带”的消除方法和机制，以及近α钛合金热机械加工过程中的微观组织调控方法。两项工作以“Mechanisms of macrozone elimination and grain refinement of near α Ti alloy via the spheroidization of the Widmannstätten structure”和“Sensitivity of heterogeneous microstructure evolution and preferential variant selection to thermomechanical conditions in a near α titanium alloy”为题分别发表于Acta Materialia和Journal of Alloys and Compounds上。论文第一作者为博士生徐帅，通讯作者为章海明副教授。上述研究工作的合作者还包括北京航材院的肖纳敏研究员、重庆大学的邱日盛副教授、香港理工大学的傅铭旺教授和上海交通大学的博士生高晨鑫。

论文链接：

https:///10.1016/j.actamat.2023.119339

https:///10.1016/j.jallcom.2023.169623

第1项研究工作，提出了“β相区热处理+α相区热压缩”的两步法晶粒细化与“微织构带”消除工艺，并借助全场晶体塑性模拟揭示了其背后的机理。对含“微织构带”的初始等轴组织进行β相区热处理并冷却，得到α片层取向较为随机的热处理魏氏组织（HT-WS）。由于α相和β相间的晶格错配，HT-WS中存在大量位错和纳米孪晶等纳观组织缺陷。对HT-WS试样在α单相区进行变形（50%变形量）、球化，魏氏组织中丰富的缺陷使其无需很大的变形（30%变形量）即可通过充分几何动态再结晶实现晶粒细化，细化后的晶粒可以通过发生晶界滑动而实现晶粒刚体转动，这种转动随机性较大，可有效削弱原始组织中的“微织构带”缺陷。热压缩所得魏氏组织（HC-WS）虽然也含大量缺陷，但HC-WS具有很强的变形织构，且其中包含大量不易球化的[11-20]取向的α片层，因此相同变形量下热压缩所得魏氏组织的晶粒细化和“微织构带”消除效果均不及热处理所得魏氏组织。

图1. 含毫米级“微织构带”缺陷的近α高温钛合金初始微观组织。

图2. 1—热处理所得魏氏组织（HT-WS），2—热压缩所得魏氏组织（HC-WS）。（a）全欧拉角分布图；（b）各α团簇AD-IPF，HT-WS中各α团簇的织构组分不同，而HC-WS中不同团簇都有且仅有AD//[10-11]和AD//[11-20]两种织构组分；（c）XRD测得的{0001}和{11-20}极图；（d）KAM分布图；（e）不同组织试样中KAM统计分布图。

图3. HC-WS组织（a-d）和HT-WS组织（e-i）的TEM结果，两种组织内均具有大量的位错和纳米孪晶，可促进后续变形过程中的几何动态再结晶。

图4. α单相区变形后HT-WS和HC-WS样品的微观组织。（a）压缩50%的HC-WS，仍含有较大的“微织构带”；（b）压缩50%的HT-WS，“微织构带”消除效果最好，变形织构接近随机织构；（c）压缩30%的HT-WS，仍含有“微织构带”，较图3（a）中“微织构带”宽度有所减小。

图5. 图3中框选区域的高分辨EBSD表征结果，（a、d）压缩50%的HC-WS，图a₁为AD-IPF，试样中未能充分球化的晶粒多数为AD//[11-20]取向；（b、e）压缩50%的HT-WS，再结晶、晶粒细化充分；（c、f）压缩30%的HT-WS，晶粒效果在前两者之间，图c₁为样品中的几何动态再结晶结果。

图6. HC-WS组织的晶体塑性谱方法（CPSM）模拟结果，用于揭示其塑性变形过程中的取向相关性。（a）用于CPSM模拟的代表体元，（b）等效应变分布图，（c、d）基面滑移和柱面滑移产生的切应变分布图。

图7. 晶体塑性谱方法模拟结果：（a-c）仅考虑晶内位错滑移的CPSM模拟，具有取向依赖的位错滑移会进一步加剧“微织构带”缺陷；（d-f）考虑晶界滑动和晶内位错滑移的CPSM模拟，晶界滑动可削弱“微织构带”缺陷。

第2项研究发现，在α+β两相区或β单相区变形时，β相极易发生立方取向晶粒的异常长大，且随着应变速率的降低和变形温度的升高愈发明显，这种动态退火行为使得变形后形成大量粗大的、晶粒内部鲜有小角度晶界等缺陷的、具有立方取向的β晶粒。这种立方取向的β晶粒在β→α相变过程中会形成织构很强的α相，并易发展成为“微织构带”；且由于内部缺少小角晶界等缺陷，相变时形核点较少，α相各向异性生长显著以致形成粗大的魏氏组织，同时伴随强烈的变体选择。基于以上发现，本文给出了合适的工艺窗口，可有效避免粗大的立方取向的β晶粒的产生，也可增加β相内小角晶界含量进而削弱相变过程中的变体选择和α生长时的各向异性，避免魏氏组织产生。

图1. 不同变形条件下所得近α高温钛合金室温微观组织

图2. 根据室温组织和Burgers位向关系重构的近α高温钛合金变形时高温β相。

图3. 不同变形条件下β相体积分数及β相内小角晶界密度。

图4. 变形条件对变体选择的影响，图中A-E为钛合金β→α相变时，同一β晶粒内产生的相邻α变体存在的五种轴角对关系，在没有变体选择时，五种晶界的含量之比为1:2:4:2:2。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。