钛合金微织构的形成与演化研究取得进展

　　晶体取向均匀性是除组织形貌和微区成分均匀性外影响金属材料力学性能稳定性的另一关键因素。多晶材料的晶体取向均匀性可用微织构来描述，表现为一给定区域的晶体学择优取向与邻近区域的差异性。微织构在近钛合金和钛合金锻造组织中普遍存在，通过热加工工艺优化容易实现大规格棒材和锻件不同部位显微组织的相对均匀，但它们的晶体取向均匀性却难以控制。研究显示，微织构会导致钛合金超声波探伤的杂波偏高、疲劳（特别是保载疲劳）性能和拉伸性能及其稳定性降低。 

　　为进一步提高钛合金棒材和锻件的性能及其稳定性，中国科学院金属研究所轻质高强材料研究部高温钛合金团队针对钛合金锻造组织中微织构的形成和演化机制开展了系统的研究工作。通过对具有板条状组织Ti60钛合金的热压缩实验，研究了两相区变形初始阶段相的球化机制及其晶体取向的演化规律（图1），发现当板条相晶内沿正交方向的滑移累积足够的变形时，相板条内形成的亚晶尺寸远小于其自身宽度，亚晶可通过聚合过程累积足够的取向差，此时板条相以连续再结晶机制球化得到取向分散的等轴相。在较高温度变形时，板条相的晶内滑移较少，形成亚晶的尺寸与板条相宽度相当，此时板条相的球化方式以“晶界分离”机制为主，同一板条集束球化后一般仍保留相近的晶体取向。 

　　此外，钛合金锻造组织中的微织构在后续热加工过程中具有较强的“顽固性”，主要表现为原始β晶粒的晶体取向很难随机化，甚至后续经过十几火次的反复镦拔变形也很难消除。本团队通过对TC17合金双态组织中微织构演化规律的研究（图2），发现初生相的钉扎作用是导致原始β晶粒的晶体取向表现出强“顽固性”的主要原因。初生相的钉扎作用限定了β晶粒生长，有利于β晶粒尺寸的均匀化，但也阻碍了β亚晶的聚合过程，限制了原始β晶粒取向的随机化。研究团队通过分析β晶粒内亚结构随变形参数的演化规律，讨论了在初生相钉扎作用下各变形参数对β相晶体取向的影响，为理解钛合金具有较强组织遗传性的机制提供了新视角。 

　　基于以上认识，研究团队结合不同体系钛合金晶体取向的演化特点，对钛合金的锻造工艺进行了系统梳理，开展了TC25G、Ti60、Ti65、Ti2AlNb和TC11等钛合金250~550mm大规格棒材（图3）和锻件的研制和工业化生产验证，解决了钛合金棒材和锻件加工火次多、探伤杂波高、组织均匀性差和性能不稳定等技术难题。创新技术先后申请了《一种高品质钛合金大规格棒材的锻造工艺》（ZL 202010882185.9）；《一种500～600℃用高强钛合金及其加工方法》（ZL 202010881960.9）；《一种高蠕变抗力、高断裂韧性TC25G钛合金锻件的制备工艺》（ZL 202010195030.8）；《一种Ti2AlNb基合金锻件的制备工艺》（ZL 202010882080.3）等20余项核心技术专利，相关技术在多个国家重点工程上获得应用。 

　　相关基础研究结果近期在Metallurgical and Materials Transactions A上在线发表，题为“Influence of Globularization Process on Local Texture Evolution of a Near- Titanium Alloy with a Transformed Microstructure”和“Microtexture Evolution of Titanium Alloy During Hot Deformation: For Better Understanding the Role of Primary  Grains”。论文的第一作者为赵子博研究员，通讯作者为王清江研究员，刘建荣研究员指导了实验的设计，杨锐研究员指导了整个研究工作。该工作得到了某专项基础研究、青促会人才专项和中科院稳定支持青年团队等项目的资助。 


图1 相的球化机制与微织构的形成联系：（a）不同变形温度试样宏观织构及相晶体取向分布差异；（b）不同温度变形时相球化机制的差异


图2 微织构“顽固性”与初生相钉扎作用联系：（a）高变形量和高变形速率条件下的初生相和β相晶体取向；（b）β相晶粒尺寸分布；（c）初生相间距测量及分布；（d）β相取向差分布


　　图3 锻造工艺优化前后棒材晶体取向对比：（a）优化前Φ300mm棒材低倍组织及其晶体取向；（b）优化后Φ300mm和Φ550mm棒材低倍组织及其晶体取向