晶體取向均勻性是除組織形貌和微區(qū)成分均勻性外影響金屬材料力學性能穩(wěn)定性的另一關(guān)鍵因素。多晶材料的晶體取向均勻性可用微織構(gòu)來描述，表現(xiàn)為一給定區(qū)域的晶體學擇優(yōu)取向與鄰近區(qū)域的差異性。微織構(gòu)在近α鈦合金和圖片鈦合金鍛造組織中普遍存在，通過熱加工工藝優(yōu)化容易實現(xiàn)大規(guī)格棒材和鍛件不同部位顯微組織的相對均勻，但它們的晶體取向均勻性卻難以控制。研究顯示，微織構(gòu)會導致鈦合金超聲波探傷的雜波偏高、疲勞（特別是保載疲勞）性能和拉伸性能及其穩(wěn)定性降低。
為進一步提高鈦合金棒材和鍛件的性能及其穩(wěn)定性，中國科學院金屬研究所輕質(zhì)高強材料研究部高溫鈦合金團隊針對鈦合金鍛造組織中微織構(gòu)的形成和演化機制開展了系統(tǒng)的研究工作。通過對具有板條狀組織Ti60鈦合金的熱壓縮實驗，研究了圖片兩相區(qū)變形初始階段α相的球化機制及其晶體取向的演化規(guī)律（圖1），發(fā)現(xiàn)當板條圖片相晶內(nèi)沿正交方向的滑移累積足夠的變形時，α相板條內(nèi)形成的亞晶尺寸遠小于其自身寬度，亞晶可通過聚合過程累積足夠的取向差，此時板條圖片相以連續(xù)再結(jié)晶機制球化得到取向分散的等軸α相。在較高溫度變形時，板條圖片相的晶內(nèi)滑移較少，形成亞晶的尺寸與板條α相寬度相當，此時板條圖片相的球化方式以“晶界分離”機制為主，同一板條α集束球化后一般仍保留相近的晶體取向。
此外，鈦合金鍛造組織中的微織構(gòu)在后續(xù)熱加工過程中具有較強的“頑固性”，主要表現(xiàn)為原始β晶粒的晶體取向很難隨機化，甚至后續(xù)經(jīng)過十幾火次的反復鐓拔變形也很難消除。本團隊通過對TC17合金雙態(tài)組織中微織構(gòu)演化規(guī)律的研究（圖2），發(fā)現(xiàn)初生α相的釘扎作用是導致原始β晶粒的晶體取向表現(xiàn)出強“頑固性”的主要原因。初生圖片相的釘扎作用限定了β晶粒生長，有利于β晶粒尺寸的均勻化，但也阻礙了β亞晶的聚合過程，限制了原始β晶粒取向的隨機化。研究團隊通過分析β晶粒內(nèi)亞結(jié)構(gòu)隨變形參數(shù)的演化規(guī)律，討論了在初生α相釘扎作用下各變形參數(shù)對β相晶體取向的影響，為理解鈦合金具有較強組織遺傳性的機制提供了新視角。
基于以上認識，研究團隊結(jié)合不同體系鈦合金晶體取向的演化特點，對鈦合金的鍛造工藝進行了系統(tǒng)梳理，開展了TC25G、Ti60、Ti65、Ti2AlNb和TC11等鈦合金圖片250~550mm大規(guī)格棒材（圖3）和鍛件的研制和工業(yè)化生產(chǎn)驗證，解決了鈦合金棒材和鍛件加工火次多、探傷雜波高、組織均勻性差和性能不穩(wěn)定等技術(shù)難題。創(chuàng)新技術(shù)先后申請了《一種高品質(zhì)鈦合金大規(guī)格棒材的鍛造工藝》（ZL 202010882185.9）；《一種500～600℃用高強鈦合金及其加工方法》（ZL 202010881960.9）；《一種高蠕變抗力、高斷裂韌性TC25G鈦合金鍛件的制備工藝》（ZL 202010195030.8）；《一種Ti2AlNb基合金鍛件的制備工藝》（ZL 202010882080.3）等20余項核心技術(shù)專利，相關(guān)技術(shù)在多個國家重點工程上獲得應用。
相關(guān)基礎(chǔ)研究結(jié)果近期在metallurgical and Materials Transactions A上在線發(fā)表，題為“Influence of Globularization Process on Local Texture Evolution of a Near-α Titanium Alloy with a Transformed Microstructure”和“Microtexture Evolution of Titanium Alloy During Hot Deformation: For Better Understanding the Role of Primary α Grains”。論文的第一作者為趙子博研究員，通訊作者為王清江研究員，劉建榮研究員指導了實驗的設(shè)計，楊銳研究員指導了整個研究工作。該工作得到了某專項基礎(chǔ)研究、青促會人才專項和中科院穩(wěn)定支持青年團隊等項目的資助。
圖1 α相的球化機制與微織構(gòu)的形成聯(lián)系：（a）不同變形溫度試樣宏觀織構(gòu)及α相晶體取向分布差異；（b）不同溫度變形時α相球化機制的差異
圖2 微織構(gòu)“頑固性”與初生α相釘扎作用聯(lián)系：（a）高變形量和高變形速率條件下的初生α相和β相晶體取向；（b）β相晶粒尺寸分布；（c）初生α相間距測量及分布；（d）β相取向差分布
圖3 鍛造工藝優(yōu)化前后棒材晶體取向?qū)Ρ龋海╝）優(yōu)化前Φ300mm棒材低倍組織及其晶體取向；（b）優(yōu)化后Φ300mm和Φ550mm棒材低倍組織及其晶體取向
