導讀

　　針對新型高強度亞穩β型Ti-3.5Al-5Mo-4V (Ti-B20)合金在固溶或時效處理后出現的初始β晶粒尺寸大、塑性差、晶粒細化效果有限等問題，采用高壓扭轉(HPT)法制備了大變形晶粒的Ti-B20合金。對經HPT熱處理的TiB20合金在850 ℃的β相場中進行不同時間的退火處理，系統地揭示了HPT加工過程中的變形機理和變形合金的再結晶行為。該工作為制備具有協同強度和塑性的細晶β鈦合金提供了新的思路。

　　與具有粗晶結構的普通金屬材料相比，超細晶(UFG)和納米晶(NG)金屬材料具有高強度、良好的塑性和抗疲勞性能，在航空航天和醫療應用中吸引了廣泛關注，UFG/NG金屬材料的制備已成為實際工程和醫學應用的重要研究領域之一。近年來，大塑性變形(SPD)技術被認為是通過引入較大應變來實現塊狀UFG/ NG材料的有效方法，主要包括等通道角壓(ECAP)、累積疊軋(ARB)和高壓扭轉(HPT)。其中HPT可以提供更大的塑性應變，從而產生比ECAP和ARB更細的晶粒，因而被廣泛應用于UFG和NG結構鈦合金的加工，以顯著提高鈦合金的強度。

　　早期HPT法制備納米鈦合金主要集中在α-鈦合金、工業純鈦和TC4鈦合金等延展性較差的合金中。隨著航空航天和生物醫學領域的發展，對采用HPT法細化β型鈦合金晶粒進行了深入的研究，發現HPT誘導的高位錯密度UFG鈦合金的力學性能表現為強度與塑性不相容或只能用硬度來表征。通過HPT結合適當的退火處理來產生具有低位錯密度的均勻細晶組織，是實現良好的強度-塑性協同作用的一種有潛力的方法。因此，研究鈦合金在HPT加工過程中的組織演變，然后通過退火處理調整結構以優化其力學性能具有重要的價值。

　　Ti-3.5Al-5Mo-4V (Ti-B20)合金原始晶粒尺寸較大，固溶時效處理后塑性較差。據文獻報道，在β相場中軋制壓下90%后，其晶粒尺寸由初始狀態的175.5 ?m減小到66.1 ?m。合金的抗拉強度為915 MPa，伸長率僅為10%。為了提高Ti-B20合金的力學性能，必須進一步細化β晶粒尺寸?；诖耍F州大學的向嵩教授研究團隊基于臨界Mo等效設計原則研制出一種新型高強度亞穩態β型Ti-B20合金，研究了HPT變形后Ti-B20合金的組織演變。在室溫下進行HPT處理，并通過適當的退火處理制備出具有細晶組織的合金，且具有良好的強度和塑性平衡。相關研究成果以題為“Exceptional strength-plasticity synergy in β-Ti alloy via HPT and short-period annealing”發表于期刊《Journal of Alloys and Compounds》。

　　HPT加工過程中的變形模式主要是原始晶粒和馬氏體相(α″)的位錯滑移和剪切帶（SBs）分裂。隨著應變的增大，位錯的堆積和晶粒的細化使硬度沿徑向呈梯度增加。

　　在再結晶退火過程中，Ti-B20合金HPT變形產生的SBs和高密度位錯是再結晶晶粒優先成核的部位，顯著促進了再結晶晶粒的形核和長大，促進了合金的回復或再結晶過程。隨著退火時間從3 s增加到60 s，再結晶體積分數從16.7%迅速增加到87.5%。

　　在850 ℃退火60 s后，HPT試樣獲得了低位錯密度的細晶組織。退火后的合金晶粒尺寸約為14.68 ?m，強度為941.9 MPa，伸長率為39.7%。這是迄今為止報道的Ti-B20合金的最佳塑性，低位錯密度的細晶粒在保持高強度的同時，為位錯滑移和積累提供了更多的空間。對于具有粗晶粒和低塑性的合金這是一個巨大突破。