多滑移系统的激活以及双功能α相的形成提升了超高强度钛合金的热加工性能

《Journal of Materials Science & Technology》：Activation of multi-slip systems and dual-functional α phases enhanced the hot workability of ultrahigh-strength titanium alloy

多滑移系统激活与双功能α相协同作用促进钛合金动态软化及再结晶，通过界面控制机制优化热加工性能。

　　
该研究聚焦于新型超高强度β钛合金Ti-1500G（Ti-4Al-4Mo-4V-5Cr-2Zr-1Nb）在热机械加工过程中的微观结构演变规律及其与动态软化行为的关联。研究团队通过系统性实验揭示了α相的多尺度调控作用，建立了热机械加工参数与显微组织动态响应的定量关系，为钛合金近净成形工艺优化提供了理论支撑。

在材料制备阶段，研究者采用定向凝固技术制备了具有梯度α相分布的β基体合金。初始显微组织呈现典型β相柱状晶（平均尺寸350μm）与针状α相（体积分数约15%）的复合结构，其中α相呈现定向排列特征，与β晶界呈45°~55°的{111}<110>取向关系。这种特殊相分布为研究α相与动态再结晶（DRX）的耦合机制提供了理想样本。

动态力学响应实验表明，在730-820℃温度区间及0.5-2s?1应变率范围内，合金呈现典型的双阶段动态软化行为。初始阶段（0.2-0.5应变）应变率敏感系数m值高达0.85，表明该阶段以位错滑移主导；当应变超过0.6时，m值骤降至0.35以下，揭示出多尺度动态回复与再结晶的协同作用。值得注意的是，在800℃/1s?1条件下，流变应力在0.8应变时出现异常平台，这与其观察到的动态相变（DPT）事件直接相关。

多滑移系统激活机制方面，研究团队通过电子背散射衍射（EBSD）技术捕捉到五个高优先级滑移系统的协同作用：{110}<111>（主导变形）、{112}<111>（辅助滑移）、{123}<111>（交叉滑移）以及两个次生滑移系。这种多滑移系统的激活模式显著提升了位错运动的协同效率，使晶界迁移率提高约40%。特别值得关注的是，当应变达到0.7时，滑移系激活顺序发生根本转变，从传统的Schmid因子优先原则转变为能量耗散最小化原则。

α相的双重功能调控机制是研究的核心突破点。首先，α相作为位错运动的物理障碍，其圆角化效应（平均半径由初始15μm增至加工后42μm）使位错绕过率提升至68%，有效缓解了加工硬化。其次，α/β界面作为动态再结晶的优先形核位置，其形核密度达到1.2×101?个/cm3，较纯β合金提高两个数量级。通过原子探针层析（APT）分析发现，α相周围的位错环密度高达5×1011个/cm2，这为界面控制再结晶（ICDRX）机制提供了直接证据。

动态相变（DPT）机制研究取得重要进展。当应变超过0.6时，β相中开始出现α相的逆相变（α→β），这一过程伴随着晶格畸变能的重新分布。X射线衍射（XRD）结果显示，相变导致的晶格常数变化（从3.97?增至4.02?）使相邻晶粒间的协调变形能力提升32%。这种逆相变过程形成细小的等轴β晶（平均尺寸50μm），有效消除了初始组织中的取向梯度（最大取向差从25°降至8°）。

界面控制机制的具体作用体现在三个方面：其一，共格α/β界面（初始占比72%）在变形中逐步过渡为半共格（35%）及非共格（28%）界面，这种转变使界面迁移能垒降低约18%；其二，α相通过粒子刺激形核（PSN）机制，使再结晶形核率提升至每平方厘米10?个；其三，α相的球化过程（直径由初始3μm增至8μm）形成三维网络结构，将晶界滑动阻力降低至传统β单相合金的1/5。

微观组织演化呈现明显的时空异质性特征。在加工早期（应变<0.3），位错在α相表面形成逗号位错（频率达4×101?条/cm2），触发界面动态回复；当应变进入0.5-0.8区间，相邻α相颗粒通过协同位错滑移形成连续动态再结晶（CDRX）核心区，该区域晶粒尺寸细化至15μm，流变应力降低40%；在应变>0.8阶段，DRX机制转向界面控制型动态再结晶（DDRX），晶界隆起高度达15μm，界面迁移速率提高至1.2×10?? cm/s。

该研究建立的"α相-多滑移-动态再结晶"协同调控模型，成功解释了Ti-1500G合金在820℃/2s?1条件下的异常软化现象。实验数据显示，当应变达到0.85时，流变应力下降至初始值的38%，这一数值超过传统β合金软化极限（通常为50%）。这种突破性软化效果源于三重机制叠加：1）多滑移系统激活使位错密度峰值降低30%；2）α相界面迁移率提升2个数量级；3）逆相变产生的β-DRX晶粒（体积分数达45%）形成连续动态再结晶网络。

研究团队创新性地提出"双功能α相"概念，即α相同时承担位错屏障和形核剂的双重角色。通过高分辨透射电镜（HRTEM）观察到，位错在α/β界面处发生塞积，形成位错环（最大环直径达200nm），这种塞积效应反而成为形核的驱动力，使界面处形核密度提高至体材料的5倍。这种矛盾统一的现象揭示了钛合金动态软化中的非线性机制。

该研究成果对实际工程应用具有指导意义。基于实验数据建立的温度-应变-组织演变模型，可实现工艺窗口的精准预测：在790-820℃/0.5-2s?1区间，合金兼具830MPa抗拉强度和25%均匀延伸率。通过控制热加工参数，可将后续热处理工序简化，加工效率提升40%。特别在深冷加工方面，当应变率提升至3s?1时，仍能保持85%的加工稳定性，这为复杂构件的大变形成形提供了可能。

研究还揭示了界面控制的深层物理机制：当α相体积分数超过临界值（本合金为12.5%）时，其形成的共格应变场（最大应变梯度达1.2×10?3）可有效抑制再结晶晶界处的位错堆积，使晶界迁移能垒降低约25%。这种界面应变场调控效应，为开发新型钛合金提供了理论依据。

最后，研究团队通过机器学习算法对实验数据进行深度挖掘，建立了"多滑移系统激活-α相形态演化-动态再结晶"的三维耦合模型。该模型成功预测了在810℃/1.5s?1条件下，合金将经历：初始阶段（0-0.3应变）的位错滑移主导；中期（0.3-0.7应变）的界面动态回复主导；最终阶段（0.7-1.0应变）的协同动态再结晶主导的三阶段变形过程，与实际观测结果高度吻合（预测误差<8%）。

该研究不仅深化了对钛合金动态软化机制的理解，更通过建立"界面调控-相变协同-多滑移耦合"的创新理论框架，为超高强度钛合金的工业化生产提供了可复制的技术路径。特别是提出的"α相梯度分布调控技术"，可使钛合金热加工效率提升50%以上，同时将制品缺陷率控制在0.5%以内，具有重要工程应用价值。