织构对Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金冲击韧性的影响

《Materials Science and Engineering: A》：Effect of Texture on the Impact Toughness of Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo alloy

冲击韧性主要受裂纹扩展能量影响，而裂纹启动能量相近。通过调控Ti80合金中α相体积分数（20%-40%）和织构（TD-ND与TD-RD对比），发现高α相体积分数下织构各向异性显著提升冲击韧性，主要归因于滑移与孪生机制的差异化响应。

　　

帅攀|闵唐|荣年沟|徐文雅|雷霄|常丽|魏澈|裴瑞生

中国陕西省天成航空航天有限公司，咸阳712000

摘要

由于具有较高的比刚度和强度、优异的冲击韧性和耐腐蚀性，Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金成为下一代海洋应用中替代钢材的有希望的候选材料，从而实现减重和节能。然而，微观结构和织构对冲击韧性的影响尚未得到系统研究。为此，通过落锤冲击韧性试验机测试了不同主α相体积分数和不同缺口方向的样品。通过中断冲击实验揭示了微观结构、织构、裂纹起始和扩展之间的深入关系。结果表明，冲击韧性取决于裂纹扩展能量，而裂纹起始能量在各个样品之间几乎相同。TD-ND和TD-RD样品的各向异性冲击韧性（TD-ND>TD-RD），尤其是在主α相体积分数较高的样品中，可归因于棱柱滑移和拉伸孪晶的不同活性。对这一主题的基本理解有助于在设计厚钛板时，不仅考虑微观结构，还要考虑织构。

引言

由于环境法规的要求，通过减重来提高能源效率是海洋应用材料的关键目标之一。钛合金，例如Ti64-ELI（Ti-6Al-4V，含有极低的间隙元素）、Ti6242（Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo）和Ti6321（Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo）合金，因其高比刚度、比强度、优异的耐腐蚀性和冲击韧性而被认为是最有前途的候选材料[1]、[2]、[3]。Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo（即Ti80合金）是一种近α钛合金，其微观结构可以通过优化热机械加工（TMP）参数来满足不同应用的需求。可以获得三种类型的微观结构（等轴、双模态和完全层状）。具体来说，双模态微观结构由主α相（α_p）、次级层状α相（α_s）和转变β相（β_T）组成。除了机械性能和耐腐蚀性外，良好的加工性和焊接性也有利于Ti80合金制造结构复杂的海洋部件[4]、[5]、[6]。

已经对Ti80合金的微观结构与机械性能之间的关系进行了深入研究，如单轴拉伸试验、疲劳和耐腐蚀性[5]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。Jiang等人报告称，随着α_p体积分数的增加和微观结构的细化，极限抗拉强度呈上升趋势[5]。完全层状微观结构也被证明比双模态微观结构具有更好的抗疲劳裂纹性能[7]。在冲击韧性方面，许多研究者报告称，完全层状微观结构优于等轴和双模态微观结构，这与裂纹路径的增加和能量消耗有关[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。还发现，通过调整TC21（Ti-6Al-2Sn-2Zr-3Mo-1Cr-2Nb）钛合金中的层状厚度、层状微观结构的比例和晶团大小，冲击能量可以从9.5 J提高到27.6 J[18]。然而，Lei等人比较了不同微观结构的Ti64合金的冲击韧性，得出结论认为双模态结构（85 J/cm²）的冲击韧性优于完全层状（60 J/cm²）和等轴（50 J/cm²）微观结构[19]。作者认为，激活额外的变形模式（包括金字塔滑移和孪晶、β_T和α_s的弯曲）可以有效降低裂纹尖端的应力集中[19]并增加能量消耗。在这方面，为了提高冲击韧性，微观结构的组成受到了更多关注，而织构的影响则很少有报道。

热轧是制造用于海洋应用的厚度超过100 mm的Ti80板材的关键TMP步骤之一。然而，与Ti64合金相比，Ti80合金在热轧过程中的织构演变很少有报道。对于Ti64合金，Zeng等人研究了轧制温度、厚度减量和中间再加热对织构发展的影响[20]。在TMP过程中，相变、再结晶、晶粒生长和变形机制的激活对织构演变非常重要。常见的织构是<0002>//TD（横向方向）[20]。作者致力于理解这种织构的形成，并得出结论认为它主要来自六方单元的变形而不是相变[20]、[21]。此外，还表明，在冷却过程中α变形、β变形和相变的结合导致织构从B型（{0002}//ND）+T（{0002}//TD）变为T型，最终变为随机织构，这一变化随着轧制温度接近β转变温度而发生[22]。最近，Cai等人发现Ti64的冲击韧性表现出各向异性，与缺口方向有关，即ND（法向）缺口样品的冲击韧性优于TD（横向）和RD（轧制方向）缺口样品。这归因于宏观区域延伸与裂纹路径之间的空间位置[22]。当它们平行时，由于缺乏滑移，变形区域被限制在表面；反之亦然[22]。同样，Jiang等人得出结论，Ti80圆柱环的各向异性冲击韧性与环轧制引入的层状结构分布有关[3]。然而，晶粒取向对变形机制、裂纹起始和扩展的影响尚未得到系统研究。

在这项工作中，基于Thermo-Calc软件的热力学计算，设计了四种不同α_p体积分数的微观结构。通过不同缺口方向的样品来表征织构的影响。进行了记录位移和力的落锤冲击试验，以区分裂纹起始和扩展能量，从而更好地理解微观结构和织构对这两个阶段的影响。通过微观结构和裂纹表征，我们揭示了Ti80轧制板材各向异性冲击韧性的根本原因。对这一主题的深入理解有助于在设计厚钛板时，不仅考虑微观结构，还要考虑织构。

材料与表征

所研究的Ti80钛合金由中国陕西省天成航空航天有限公司制造。制造过程包括三重真空电弧熔炼（VAR）、锻造和轧制，最终得到厚度为120 mm的钛板材。合金的化学成分通过电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES，iCAP pro，Thermoscientific）测量替代元素（如Al、Mo、Nb和Fe），以及通过惰性气体熔融法（OHN836，Leco）测量间隙元素

初始微观结构和织构

为了调整材料的初始微观结构，选择了四个标记有红色十字的温度（图2（e））来控制α_p相的体积分数，分别为40%（样品A）、30%（样品B）、20%（样品C）和0%（样品D）。相应的BSE微观结构如图2(a)-(d)所示。随着热处理温度的升高，等轴α_p的体积分数减小，而层状α_s的体积分数增加。

讨论

在这项工作中，我们通过热处理调整α_p的体积分数和织构，系统研究这两种关键微观特性对冲击韧性的影响。通过具有两种不同缺口方向的样品来检验织构的作用，即TD-RD和TD-ND。随着热处理温度的升高，晶粒尺寸、α_p的体积分数和晶粒取向发生变化。令人惊讶的是，裂纹起始能量

结论

在这项工作中，对不同温度下退火的样品进行了表征，显示出α_p的体积分数变化以及织构从{10$$ 0}//ND变为{11$$ 0}//ND。α_p的体积分数和缺口方向都对冲击韧性有明显影响。通过研究它们之间的联系，裂纹起始和裂纹扩展，可以得出以下主要结论：

(1)

TD-ND样品的冲击韧性明显高于

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雷霄：撰写 – 审稿与编辑。徐文雅：验证。魏澈：验证。常丽：验证。裴瑞生：撰写 – 原始草稿、监督、项目管理、方法论、研究。帅攀：撰写 – 审稿与编辑、验证、项目管理、方法论、研究。荣年沟：撰写 – 审稿与编辑。闵唐：撰写 – 审稿与编辑

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