金属所&西工大 | MSEA | 经轧制与单步固溶处理制备的多相非均匀Ti-Al-Fe-Si合金的屈服强度及屈强比
2026-06-25 15:44:18
作者:Metals Letters 来源:Metals Letters
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原文标题:Yield strength and yield to tensile ratio in a multiphase heterogeneous Ti-Al-Fe-Si alloy with via rolling and one-step solution treatment
标题翻译:经轧制与单步固溶处理制备的多相非均匀钛铝铁硅合金的屈服强度及屈强比
通讯作者单位:中科院金属所&西北工业大学
航空钛合金紧固件(如Ti-6Al-4V和Ti-3Al-5Mo-4.5V)严重依赖V、Mo等昂贵合金元素,导致生产成本居高不下。同时,传统α+β钛合金通常具有较高的屈服比(YSR,>0.85),意味着加工硬化能力有限、冷成形性差,不利于紧固件的冷镦成形。如何在降低成本的同时调控YSR,实现“先易成形、后高强服役”,是该领域的重要工程需求。针对这一问题,中科院金属所的研究团队以Ti-4.5Al-2.5Fe-0.25Si(TAFS)合金为对象,采用廉价的Fe替代V和Mo(Fe具有高钼当量和强固溶强化能力),并通过“轧制+一步固溶处理”的短流程工艺,成功实现了YSR在0.63至0.85范围内的宽幅可调。研究发现,910°C是临界转变温度:低于该温度时,合金呈现“双重屈服”行为,YSR较低(~0.63);高于该温度时,双重屈服被抑制,YSR升高(可达0.85)。该合金可在低YSR状态下进行冷镦成形,随后通过热处理调整至高YSR状态以满足服役要求,为低成本航空钛合金紧固件的短流程制造提供了新途径。
原文共有图12,本文图片选自原文中图1、4、5、7、9、11。
图1:展示了TAFS合金的加工路线与热处理流程示意图。 图中清晰呈现了从铸锭熔炼→锻造→多道次精密轧制→空气冷却获得直径为12 mm的盘条→线材切割→不同温度(880-940°C)固溶处理→水淬→最终拉伸试样制备的全流程。该“轧制+一步固溶处理”的短流程工艺省去了传统工艺中的多级时效处理步骤,显著简化了紧固件生产前的准备工序。插图还标明了β转变温度约为955°C,所有固溶处理温度均低于该温度,确保合金处于α+β两相区。
图4:展示了不同固溶温度下TAFS合金的EBSD相分布图和反极图(IPF)。 图4a-c为相分布图,其中红色代表α相,绿色代表β相。随着固溶温度从900°C升高到920°C,α相(即αp)体积分数逐渐减少,β相体积分数相应增加,符合热力学平衡规律。图4d-f为对应的IPF图,清晰显示β相晶粒随温度升高而长大。更为关键的是,在920°C下(图4f),β相内出现了明显的板条状二次α/α′马氏体,而在900°C和910°C下(图4d-e),这种二次相的含量很少,β相内留有充足的空间供后续变形过程中的相变或马氏体再取向,为TRIP效应的发挥提供了结构基础。
图5:展示了不同固溶温度下TAFS合金的KAM(核平均取向差)分布图。 图5a-b分别为900°C和910°C下β相的KAM图,显示在β转变组织内部存在明显的取向差异区域,表明局部晶格畸变和位错密度较高。图5c-d为920°C下的KAM图,β相和二次α/α′相均展现出显著的取向差,且某些区域的取向差甚至超过900/910°C条件下的值。KAM值的升高与几何必需位错(GNDs)的积累密切相关,反映了不同温度下相变诱发的微观应变场差异,为后续分析背应力强化提供了直接的结构证据。
图7:展示了920°C固溶处理后β转变组织中的大量α/α′马氏体板条及多种析出相。 图7a-b的TEM明场像显示,β晶粒内部充满了高密度的平行板条状α/α′马氏体,与900/910°C条件下β相内“空旷”的形貌形成鲜明对比。图7c的选区电子衍射(SAED)花样进一步确认了α″马氏体的存在。图7d显示了沿β相边界析出的ω相,而图7e-f则揭示了β/β/αp三叉晶界处的{332}〈113〉β孪晶和β/α纳米板条结构。这些丰富的析出相和多重相界面为合金提供了大量的强化源,也构成了背应力硬化的结构基础,解释了920°C以上样品为何具有更高的屈服强度和YSR。
图9:展示了不同固溶温度下TAFS合金的拉伸力学性能与加工硬化行为。 图9a的真应力-应变曲线显示,当固溶温度低于910°C(880°C、900°C)时,曲线呈现明显的“双重屈服”特征——即在初始屈服后出现一个平缓的应力平台,随后再次硬化——这是TRIP效应(应力诱发马氏体相变)的典型标志;910°C时该效应减弱;920°C和940°C时双重屈服完全消失,曲线回归传统钛合金的单次屈服模式。图9b的加工硬化率曲线进一步证实了上述转变:900°C样品在屈服后保持较高的加工硬化率,而920°C样品几乎无加工硬化。该图直接确立了910°C作为力学行为转变的临界温度。
图11:对比了不同固溶温度下TAFS合金的屈服强度计算值与实验值,并分解了各强化机制的贡献。 柱状图显示,纯Ti基体剪切应力(σ₀≈180 MPa)和固溶强化(σss≈154 MPa)对所有样品的贡献基本恒定。最主要的差异化贡献来源于背应力强化(包括位错强化σp、α/α′相界面强化、析出相强化),且背应力强化贡献随固溶温度升高而增大——920°C样品的背应力强化贡献显著高于900°C样品。计算值与实验值之间存在一定偏差,论文归因于模型简化假设(如理想化应力分配)和实际多相合金中复杂的应变局域化效应。该图定量揭示了不同固溶温度下屈服强度差异的物理来源——背应力强化,而非固溶强化。
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