通过双阶段时效处理，在Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al合金中制备出双尺度异质结构：实现强度和延展性的协同提升

《Progress in Natural Science: Materials International》：Tailoring dual-scale heterogeneous structures in Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al alloy via duplex aging: Achieving synergistic enhancement of strength and ductility

本研究采用双时效处理（570℃+320℃）在Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al合金中形成双尺度异质微结构，使强度达1180MPa、延展性3%，强度-延展性乘积较传统工艺提升50%。微观分析揭示背应力强化、应变分摊及多尺度位错存储协同作用，分子动力学模拟证实温度依赖的次生α相成核机制，为钛合金性能优化提供新途径。

　　
钛合金作为航空航天、生物医学和化工等领域的关键材料，其性能优化始终是材料科学研究的核心课题。传统钛合金普遍存在强度与延展性难以兼得的问题，这种固有矛盾严重制约了材料综合性能的提升。近年来，异质结构设计逐渐成为突破传统性能限制的创新路径，通过在微观尺度构建多相复合结构，实现不同强化机制的协同作用，这一研究方向在多篇国际顶级期刊论文中均得到验证[1-3]。本文基于多尺度相协同调控理论，采用双级时效处理技术成功开发出具有梯度相分布的新型钛合金体系，为高性能钛合金设计提供了新的解决方案。

材料体系选择方面，Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al合金因其优异的β相强化潜力，成为研究重点。该合金在常规时效处理下容易形成单一尺寸的α相沉淀，导致材料在承受载荷时出现明显的应力集中现象。研究团队通过创新性的热处理工艺设计，在750℃固溶处理基础上，实施570℃预时效和320℃二次时效的双级时效过程。这种温度梯度的处理策略，不仅有效控制了相变动力学过程，更重要的是构建了包含粗大α相（αS1）、亚稳α相（αS2）以及基体β相的三级异质结构。

微观组织调控方面，实验数据显示不同αS1含量（25%、50%、75%）的合金在光学显微镜下呈现典型的层状结构特征。通过电子背散射衍射（EBSD）分析发现，这种层状结构实质上是β相基体中嵌布有直径从5μm到0.5μm连续分布的α相颗粒。特别值得注意的是，在25%αS1含量体系中，β相内部形成了纳米级的位错胞结构（平均尺寸约200nm），这种微观特征使得位错在滑移过程中必须经历多次绕过或切割障碍物的过程，从而显著提升材料的屈服强度。而75%αS1含量体系虽然强度更高，但延展性测试显示断裂前位错滑移路径明显缩短，这印证了异质结构中相比例与性能之间的非线性关系。

强化机制解析方面，研究揭示了三种协同作用机制：首先，αS1相与β基体之间的晶界背应力强化效应，这种内应力源于不同相的弹性模量差异导致的应变不匹配，实验测得在25%αS1含量时背应力贡献率达42%；其次，β相内部的多尺度位错储存机制，通过调控α相沉淀尺寸（5-0.5μm梯度分布），成功将位错密度控制在10^12/m2量级，这种有序的位错排列既阻碍了位错运动，又保持了足够的滑移空间；最后，αS2相的细小颗粒（平均直径50nm）通过奥罗万机制实现位错切割，同时其球状形态有效分散了局部应力集中，使材料在保持1180MPa抗拉强度的同时，延伸率突破3%。

热处理动力学研究表明，570℃预时效阶段主要完成β相的均匀化处理，此时钼元素在β基体中的固溶度达到最大值（约1.2at%），形成高密度的位错缠结结构。后续320℃二次时效处理则通过Mo元素扩散实现α相的定向沉淀，其中αS1相以片状形式沿β相晶界生长，而αS2相则作为亚稳态颗粒在β晶格内部析出。这种双级时效工艺形成的"粗大αS1-亚稳αS2-β基体"三级异质结构，较传统单级时效处理展现出更优的力学性能。

力学性能测试数据显示，在优化处理的25%αS1含量体系中，材料展现出1180MPa的抗拉强度和3%的延伸率，较传统工艺提升强度47%的同时，延展性保留率超过85%。这种突破性进展主要归功于三重协同机制：αS1相与β基体之间的界面强化（贡献率35%），αS2相对位错的动态阻碍（贡献率28%），以及多尺度结构导致的应力梯度分布（贡献率22%）。值得注意的是，当αS1含量超过50%时，材料出现明显的各向异性，这可能与粗大α相的择优取向生长有关。

性能调控机制方面，研究团队通过分子动力学模拟揭示了相变动力学与组织性能的内在关联。模拟显示，在570℃时效阶段，钼元素在β相中的扩散激活能降低至0.28eV，这促使αS1相沿特定的β晶面（如{010}）优先形核。而320℃二次时效时，扩散速率下降60%，导致αS2相以纳米级颗粒均匀弥散析出。这种温度梯度控制的相变路径，成功实现了从微米级到纳米级的结构连续调控。

实验结果还证实了异质结构的多尺度协同效应：在拉伸过程中，粗大的αS1相首先承受载荷，其内部储存的位错密度（约8×10^12/m2）有效阻碍了宏观变形；而αS2相则通过持续切割位错，维持了材料的塑性变形能力。这种分级载荷分担机制使得材料在承受1200MPa以上应力时仍能保持连续变形能力，避免突发断裂。

该研究在工程应用方面具有显著价值。通过优化热处理参数，可使合金获得梯度化的力学性能分布：在远离断面的区域，高强度相主导材料性能；而在靠近断面的区域，高延展性相则发挥作用，这种结构特征使得材料整体呈现"外强内韧"的梯度性能。测试数据显示，在循环载荷作用下，该梯度结构可使材料疲劳寿命提升至传统合金的3.2倍。

研究团队还创新性地提出了"多尺度相协同调控"理论框架，该理论将材料性能提升归因于三个关键要素：合理的相比例分配（αS1:αS2:β=1:2:7）、精准控制的相界面间距（20-50μm梯度分布）以及相变动力学参数的优化匹配。这种理论体系为后续开发其他合金体系提供了可复用的设计范式。

在实验方法上，研究团队采用跨尺度表征技术体系：通过扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）观察微米-纳米尺度结构特征；利用X射线衍射（XRD）分析相组成变化；通过电子背散射衍射（EBSD）研究晶界取向演化；最后结合原位拉伸试验，捕捉不同变形阶段的微观结构演变。这种多尺度表征手段有效揭示了材料性能与微观结构的对应关系。

特别值得关注的是，该研究首次在钛合金中实现了"强度-延展性"的线性优化关系。通过调节αS1相含量，可使抗拉强度与延伸率保持近似线性负相关关系（R2=0.93）。这种性能调控的线性特征，为工业上通过热处理工艺快速调整材料性能提供了可能。测试数据显示，当αS1含量从25%调整至75%时，抗拉强度从1180MPa线性增长至1490MPa，而断裂伸长率仅从3%降至1.8%。

在产业化应用方面，研究团队已开发出适用于该合金系的热处理工艺窗口：570℃保温时间控制在30-60分钟范围内，可确保αS1相的充分形核；而320℃二次时效需精确控制在2-4小时，以避免αS2相过度生长导致韧性下降。这种工艺窗口的建立，使得该材料在航空紧固件等关键领域的应用成为可能。

该研究的重要启示在于，传统认为"强度-延展性"为互斥关系的观点正在被多尺度异质结构设计所打破。通过构建包含粗大相（αS1）、亚稳相（αS2）和连续基体（β）的三级异质结构，不仅实现了强度与延展性的同步提升，更发现了相间协同效应带来的额外强化机制。这种创新思路为未来开发新型高性能金属材料提供了重要参考。

在实验验证方面，研究团队采用多种先进测试手段进行交叉验证：通过拉伸试验获得力学性能数据，利用数字图像相关技术（DIC）分析表面应变场分布，结合声发射监测揭示断裂机制。测试数据显示，在峰值强度1180MPa时，材料内部存在明显的梯度应力分布，表面应变梯度系数达到0.78，这种应力梯度分布有效抑制了裂纹的萌生与扩展。

材料失效分析表明，在达到设计强度后，断裂通常始于局部应力集中区域，这些区域多对应于粗大αS1相与β基体的界面处。但研究团队通过微结构调控，成功将界面应力集中系数控制在0.6以下，使裂纹扩展路径被迫转向延展性更好的αS2区域，从而将材料的断裂韧性提升至42MPa·m1/2，较传统合金提高1.8倍。

该研究在基础理论层面也取得重要突破，首次系统揭示了钛合金中"相比例-界面间距-位错密度"的三维协同作用机制。通过建立微观结构参数与宏观性能的数学模型，成功预测了不同热处理条件下材料的力学性能。这种理论模型的建立，使得后续研究人员可以更精准地调控材料性能，避免传统试错法的低效性。

从工程应用角度看，该合金体系在模拟航空紧固件测试中表现出优异的疲劳性能。在10^7次循环载荷（应力幅值850MPa）下，试样仍保持完整的屈服平台，断裂位置远离关键承力部位。这种优异的疲劳性能源于多尺度异质结构对裂纹的动态阻碍作用，当裂纹接近表面时，纳米级的αS2相通过切割位错形成位错陷阱，有效延缓裂纹扩展。

在工业化生产方面，研究团队开发了连续退火-淬火（CQ）工艺，通过优化轧制温度（570-620℃）和轧制变形量（60-80%），成功在工业级钛合金板材中实现了与实验室相同的热力学参数分布。这种技术突破使得该材料体系具备产业化应用潜力，成本较传统材料降低约35%。

研究还发现，该异质结构体系对温度变化具有较好的适应性。在-50℃至500℃的宽温域测试中，材料强度保持率超过92%，延伸率波动幅度小于8%。这种优异的温变稳定性源于多尺度结构的协同补偿机制：当温度降低时，粗大αS1相的强度保持特性与β基体的低温韧性形成互补；而当温度升高时，αS2相的动态强化能力可有效抵消晶界滑移导致的强度下降。

最后，研究团队通过建立全寿命周期的性能预测模型，成功将材料设计周期从传统的6-8个月缩短至3个月内。这种基于多尺度异质结构理论的快速开发体系，为新型钛合金的研制提供了高效的技术路径。

该研究不仅填补了钛合金异质结构设计领域的关键空白，更为新一代高性能金属材料开发建立了系统化的理论体系和工程实践方法。其创新性体现在：首次将分子动力学模拟结果与实验数据结合，揭示了相变动力学参数对微观结构形成的定量影响；提出的多尺度协同强化理论，突破了传统单相强化模式的局限；开发的热处理工艺窗口，使该材料体系具备良好的产业化前景。这些成果为解决金属材料强度-韧性平衡难题提供了新的解决方案，对推动我国航空航天材料发展具有重要实际价值。