重庆大学《JMST》封面：TC18钛合金在热轧退火过程中相变与静态再结晶的交互作用

第一作者：陈玉婷；通讯作者：王柯

通讯单位：重庆大学

DOI: 10.1016/j.jmst.2024.03.011

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对TC18钛合金在840 ℃条件下进行热轧，然后在830 ℃、860 ℃和890 ℃下进行不同时间的退火实验，研究了退火温度和退火时间对相变和静态再结晶（SRX）行为的影响，并探究了相变和SRX的交互作用及其对组织形貌的影响机制。

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研究背景

近β钛合金典型的热加工工艺包括对铸锭进行热变形，其目的是消除铸锭组织中的不均匀性，获得均匀、细化的β晶粒。β晶粒的细化是影响合金性能的重要因素。一般来说，β晶粒的细化可以通过动态再结晶(DRX)和静态再结晶(SRX)来实现。然而，β相具有较高的层错能，这导致微观组织中发生较强的动态回复(DRV)从而抑制DRX的发生。因此，仅仅通过热变形难以实现β晶粒的完全细化。因此，变形后退火过程中的SRX将是影响β晶粒细化的关键因素。然而，退火过程中，SRX过程常常还伴随着相变的发生，但目前大多数研究仅单方面关注相变或SRX，而相变与SRX之间的交互作用尚不清楚。本文对TC18钛合金进行热轧后进行不同温度和不同时间的退火处理，通过多种表征手段观察其显微组织演变。研究了退火温度和退火时间对微观组织中相变和SRX行为的影响，并揭示了相变与SRX的交互作用。

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本文亮点

1. 退火温度830 ℃低于轧制温度840 ℃时，β相向α相发生转变，大量的α粒子诱导β相发生亚晶形核，同时抑制了β晶粒的长大；

2. 退火温度860/890 ℃高于轧制温度840 ℃时，α相向β相发生转变，且相变先于SRX发生，晶界弓出形核成为β相的重要SRX机制，且SRX速率迅速增加；

3. 830 ℃退火时，α晶粒位于β晶界处；860 ℃退火时，大多数α粒子位于β晶粒内。

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图文解析

当退火温度830 ℃低于轧制温度840 ℃时，微观组织发生β→α相变，α相含量随退火时间的延长而增加。与此同时，β相的SRX速率缓慢，这不仅归因于较低温度下弱的热激活效应，还与α相有关，大量的α粒子诱导β相亚晶形核。虽然α粒子能促进亚晶形核，但会阻碍晶粒的长大，从而减慢SRX速率。

图1 微观组织在830 ℃时不同退火时间下的OM图：（a）5 min，（b）10 min，（c）30 min，（d）60 min，（e）90 min，（f）120 min。

当退火温度（860 ℃）高于轧制温度（840 ℃）时，微观组织发生α→β相转变，α相含量显著减少并在短退火时间（5 min）内达到新的相平衡。同时，β相也在5 min内实现了完全SRX。

图2 微观组织在860 ℃时不同退火时间下的OM图：（a）5 min，（b）10 min，（c）30 min，（d）60 min，（e）90 min，（f）120 min。

图3 在860 ℃退火5 min后β相的EBSD图: (a) IPF图，(b) IAMA图。

与830 ℃和860 ℃时的退火组织相比，当退火温度(890 ℃)超过β-转变温度（880 ℃）时，α相在5 min内完全转变为β相。与860 ℃的退火组织相似，β相在5 min内发生完全SRX，而在890 ℃时SRX β晶粒尺寸更大。因此，退火温度的升高可以促进相平衡，加快SRX速率。

图4 微观组织在890 ℃时不同退火时间下的OM图：（a）5 min，（b）10 min，（c）30 min，（d）60 min，（e）90 min，（f）120 min。

图5 在890 ℃退火5 min后β相的EBSD图: (a) IPF图，(b) IAMA图。

进一步研究发现，当退火温度为860 ℃时，与轧制微观组织相比，退火1 min后α相含量减少，SRX β晶粒未见明显变化。退火时间延长至2 min时，α相含量急剧减少，微观组织中出现了更多的SRX β晶粒。因此，在860 ℃退火时，相变优先发生于SRX。当退火3 min时，SRX β晶粒的数量和尺寸均显著增加。退火温度的升高促进了SRX的发生。SRX速率的加快不仅与热激活效应的增强有关，还与α→β相变有关。在860 ℃时微观组织发生α→β相变，α相含量大幅降低，导致β相SRX机制发生改变，β相的SRX机制是主要为晶界弓出形核机制。α相含量的减少使得其对β晶粒长大的阻碍作用减弱，SRX β晶粒迅速长大，SRX速率加快。

图6 在860 ℃退火不同时间后的OM (a, c, e)和SEM (b, d, f)图:(a, b) 1 min， (c, d) 2 min，(e, f) 3 min。

值得注意的是，相变与SRX的交互作用也影响了α和β晶粒的分布。在830 ℃退火时，大尺寸α粒子主要分布在三叉晶界处，而β晶粒内部不存在α晶粒。然而，在860 ℃时，由于α→β相变，α粒子明显收缩并大量分散在β晶粒内部。如图所示，在830 ℃时，β向α的转变引起α晶粒长大，大尺寸的α粒子诱导亚晶形核，α粒子几乎都分布在三叉晶界上，阻碍了β晶粒的长大。随着退火时间的延长，小尺寸α粒子消失，大尺寸α颗粒通过Ostwald熟化机制而粗化。在Ostwald熟化过程中，β亚晶尺寸稍稍增大，而大尺寸的α粒子仍然在三叉晶界处钉扎晶界，阻碍了晶粒的进一步长大。在860 ℃时，α向β的转变引起α晶粒尺寸的减小。由于粒径较小，β晶界的迁移没有受到α粒子的阻碍，而是绕过了α粒子。因此，当β晶界绕过小尺寸α粒子时，小尺寸α粒子分散在β再结晶晶粒内部。

图7 不同退火温度下粒子随晶界迁移的变化示意图：(a-c) 830 ℃，(d-f) 860 ℃。

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总结与展望

综上所述，本文探究了相变和SRX的交互作用，发现相变过程将影响再结晶机制和再结晶速率，且相变和再结晶共同影响了β晶粒尺寸和α晶粒的分布。该发现可为亚稳β钛合金热加工工艺和微观组织调控提供新思路。

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作者介绍

王柯，重庆大学教授，博士生导师，长期从事钛合金热加工工艺与组织性能调控研究，重点关注钛合金高温变形和热处理一体化工艺设计、组织遗传性机制、组织性能关系、强韧性协同优化调控策略等。主持国家自然科学基金青年项目（1项）/面上项目（2项）、重点研发计划项目子课题、企业横向等项目10余项，以第一/通讯作者在Scripta Materialia等期刊发表学术论文 50 余篇，授权发明专利 6 项。参编《锻压手册》第四版高温合金部分。获陕西省自然科学一等奖1项。

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引用本文

Yuting Chen, Ke Wang, Zhao Ren, Interaction between phase transformation and static recrystallization during annealing of rolled TC18 titanium alloy,J. Mater. Sci. Technol. 202 (2024) 1-15.

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