摘要
钛合金由于具有比强度高、耐腐蚀、强塑性良好等优异性能而被广泛应用于航空航天、海洋工程以及军事工程等领域。近年来，长寿命结构件损伤容限设计理念的发展对钛合金服役性能提出了更高的要求。而钛合金的力学性能主要取决于其微观组织结构特征，其中具有双态(等轴)组织结构的钛合金具有相对较好的强塑性关系，但由于其组织中等轴α相(αp)和β转变组织(βt)间存在显著的结构和性能差异，变形过程中往往容易在αp/βt界面处产生应力/应变集中，从而导致合金力学性能的降低。因此，钛合金强韧化研究的关键在于认清其微观组织结构与损伤行为的关系规律。 基于此，本文以Ti6242合金为研究对象，借鉴了近年来梯度结构材料通过异质变形诱导(HDI)强化和硬化实现强塑性协同的思路，着力于在钛合金双态组织界面上构筑界面梯度组织来消除组织突变带来的不利影响。研究通过控制双态组织界面附近溶质元素的不充分扩散来制备梯度过渡组织并命名为半等轴组织(S-ES)，揭示了这种半等轴组织的形成机制及其对力学性能的影响规律；探究了不同界面梯度结构尺寸对半等轴组织强塑性影响机制；最后利用分子动力学模拟对半等轴组织受载过程中的变形行为进行原位分析，并通过分析其在加载过程中的应变场分布进一步认识半等轴组织变形机制。研究结果可为高强韧钛合金组织调控提供新思路。 本研究利用快速加热技术将钛合金快速升温至 β 相区进行短时固溶使合金元素在α→β相变过程中不充分扩散，淬火后保留了不均匀的元素(Mo、Al)分布，在组织中形成了贫Mo和富Mo区域。已溶解的αp区域为贫Mo区，β基体为富Mo区。常规时效后在该区域形成了具有特殊αp/βt界面的半等轴组织。当固溶保温时间较短时(15 s)，该组织包含了Ⅰ型和Ⅱ型两种特殊结构：Ⅰ型组织中等轴α相界面呈弯曲波浪状，且等轴α相周围分布着粗大的板条α相，其板条厚度大于相应等轴组织中的α板条厚度；Ⅱ型组织则完全由尺寸呈梯度分布的粗大α板条组成。随固溶保温时间增加(35 s)，原等轴α相全部溶解，Ⅰ型组织消失，完全由Ⅱ型取代，时效后形成了粗和细板条交替分布的异质结构组织。 通过观察分析变形后的组织特征和力学性能测试研究了半等轴试样中不同界面梯度结构对钛合金变形行为和拉伸性能的影响，结果表明由Ⅰ和Ⅱ型结构组成的半等轴试样表现出良好的强塑性匹配，该试样保持良好塑性的主要原因是其组织中保留了一定比例的等轴α相能为位错滑移提供较大的平均自由程。另一方面，试样中Ⅱ型→Ⅰ型组织间形成的梯度异质结构可进一步协调变形，抑制了该试样在拉伸过程中应力/应变集中以及早期裂纹形核。强度提升主要源于组织中α/β界面数量的显著增加，有效的阻碍了位错滑移。此外，半等轴组织中贫 Mo 区域析出纳米级共格细小 β 颗粒也有助于钛合金强塑性的协同。 通过改变时效温度研究了半等轴中不同界面梯度结构尺寸对钛合金拉伸性能的影响。随时效温度的增加板条α相粗化，半等轴中粗和细α板条尺寸差也相应增加。拉伸结果显示所有半等轴试样的抗拉强度和屈服强度均显著高于对应的等轴(EM)试样，并保持较好的均匀延伸率。强度贡献定量计算表明由粗和细 α 板条交替分布构成的半等轴试样强化机制主要源于Hall-Petch强化和HDI强化。HDI强化源于粗(软区)和细(硬区)α板条在拉伸过程中存在机械不兼容，在粗/细 α板条异质界面处形成大量协调应变梯度的几何必需位错(GNDs)提供了背应力强化。其中在 620℃时效的半等轴试样具有较佳的强塑性匹配关系，其抗拉强度和屈服强度分别为 1248 MPa和1112 MPa，均匀延伸率和断裂应变分别为 7.2%和 12.1%。 采用EBSD和TEM观察了试样微区位错分布特征，发现半等轴试样中位错密度由粗到细 α 板条区域呈梯度分布，其变形相对等轴试样而言更为均匀，表现出良好的协调变形能力，有效避免了原αp/βt界面处应力/应变集中现象。此外，变形过程中粗和细α板条异质界面堆积的高密度GNDs能提供额外的应变硬化从而进一步提升钛合金塑性。通过TEM双束衍射分析发现除了＜a＞和＜c＞型位错滑移，变形后半等轴试样中还观察到了大量的＜c+a＞型位错，表明粗和细α板条异质变形诱导了更多滑移系的开动，这对钛合金塑性的提高具有重要贡献。特别的是，S-620样品中具有较高密度的＜c+a＞型位错，这是因为该样品中粗和细α板条尺寸差异大，异质组织间更大的力学性能差异有助于更多GNDs的累积。 利用分子动力学模拟建立了半等轴和等轴两种模型，对比分析了两种模型的变形行为，验证了钛合金中半等轴组织变形更为均匀，能避免等轴组织中αp/βt界面处出现的应力集中。通过统计两种模型在不同应变下的位错类型发现1/3＜1100＞型位错滑移占主导地位。特别的是，在半等轴模型中观察到了1/3＜1213＞型位错，验证了由粗和细α板条区域构成的半等轴试样在变形过程中能促使＜c+a＞滑移系的激活，有利于钛合金塑性的提升。
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