多道次自由锻变形对TA15钛合金β晶粒细化及力学性能的作用机制

引言

TA15 钛合金（Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V）是应用广泛的近α型钛合金，凭借优良高温性能、强度、断裂韧性及耐腐蚀性，常用于飞机发动机压气机盘、叶片和结构框架等关键高温承力部件。制造工艺直接影响其服役可靠性与寿命。锻造可赋予复杂外形，改善内部组织，消除铸态缺陷，提升力学性能。原始β晶粒尺寸是组织控制的关键，粗大β晶粒会降低材料塑性和疲劳性能。因此，通过热加工细化β晶粒是获得优异综合力学性能的前提，多道次自由锻是可行技术路径。

一、TA15 钛合金的相组成及热加工特性

（一）相组成与相变行为

TA15 钛合金的化学成分设计精妙，其中Al作为主要的α相稳定元素，能够有效提高合金的持久强度和抗蠕变性能；而Mo和V则是重要的β相稳定元素，它们的存在保证了合金在热处理和热加工过程中具有一定数量的、塑性较好的β相；Zr作为中性元素，主要起到固溶强化作用。这种成分配比使得TA15 钛合金在室温下呈现出由等轴或片状的α相和β相组成的双相组织形态。

TA15 钛合金的β相变点（ β -transus）温度是决定其热加工与热处理工艺窗口的关键参数，其大致位于980℃至 1010^∘C 之间。当加热温度低于β相变点时，合金处于α+β两相区；当温度高于β相变点时，则完全转变为单一的β相。在α+β两相区进行锻造，可以充分利用β相相对较好的塑性和α相抑制晶粒长大的能力，实现对组织和性能的有效调控。

（二）初始组织的挑战与优化目标

无论是来自铸锭的粗大柱状β晶，还是经过初步开坯后形成的尺寸不均的等轴或网篮组织，这些初始的粗糙结构都难以满足高性能构件的要求。粗大的β晶粒不仅会导致力学性能的各向异性，而且在后续冷却过程中会转变成粗大的魏氏组织或α集束，这将成为裂纹扩展的薄弱路径，严重损害材料的塑性、韧性和疲劳寿命。因此，热加工的核心目标之一，便是将这种遗传下来的粗大β晶粒彻底破碎，转变为细小、均匀的等轴晶粒组织，为后续获得优异的综合力学性能奠定坚实的组织基础。

二、多道次自由锻过程中的组织演变机制（一）动态回复（DRV）与动态再结晶（DRX）的协同作用

在α+β两相区进行热变形时，由于β相的层错能较低且原子扩散速率较快，其在变形过程中表现出比α相更好的塑性。当施加锻造压力时，塑性变形主要由β相承担。随着变形量的累积，β相内部的位错密度急剧增加，储存了大量的畸变能。这部分能量成为驱动组织演化的主要动力。

（二）多道次变形的累积效应与β晶粒的逐级破碎

相较于一次大变形量的锻造，多道次锻造策略在细化β晶粒方面具有独特的优势。其关键在于“累积”和“逐级”效应。

在第一个锻造道次中，动态再结晶在原始的粗大β晶粒边界处萌生，形成一层细小的再结晶晶粒。在紧随其后的道次间歇期，虽然可能发生短暂的静态回复，但由于时间极短，新生的细晶粒难以显著长大。进入下一个锻造道次时，这些在上一道次中形成的细小β晶粒，连同剩余的未再结晶变形区，共同构成了新的变形基体。新的动态再结晶过程将在这些更为细小和复杂的组织基础上发生，形核位置更多，形核也更为弥散。

（三）α相在β晶粒细化中的“钉扎”稳定作用

在α+β两相区进行锻造，α相的存在对β晶粒的细化起到了至关重要的稳定作用，这一作用主要体现为经典的“泽纳钉扎”（Zener Pinning）效应。在锻造温度下，以等轴或短棒状形式弥散分布于β基体中的初生α相，其物理化学性质稳定，不易发生迁移。

当动态再结晶形成的细小β晶粒的晶界在迁移和长大过程中遇到这些α相质点时，其迁移运动会受到极大的阻碍。为了越过α质点，晶界必须额外消耗能量使其弯曲，这大大降低了晶界迁移的速率，从而有效地抑制了β晶粒的长大。特别是在道次间的间歇期或锻造完成后的保温阶段，这种钉扎效应能够有效防止已细化的β晶粒因静态回复或晶粒吞并而发生粗化，从而将动态再结晶的细化成果“固定”下来。可以说，α相扮演了“稳定销钉”的角色，确保了β晶粒细化过程的高效和稳定。

三、最终显微组织形态与力学性能优

（一）最终显微组织的形成

最终获得的典型显微组织是一种细晶双态组织（bimodal microstructure）或称为双相组织。该组织由细小、等轴的初生α相（αp）均匀地分布在由细小β晶粒转变而成的β转变基体中构成。由于原始β晶粒已被显著细化，其在冷却过程中通过相变形成的次生α片层（αs）的尺寸和其组成的α集束（colony）尺寸也相应地受到限制。这使得最终的β转变基体呈现为精细的网篮组织或片层组织，且α片层的取向更加多样化，避免了单一取向的粗大片层结构。这种由细小等轴αp和精细β转变基体构成的复合式组织，是实现优异强韧匹配的理想组织形态。

（二）力学性能的提升机理

优化的显微组织直接带来了力学性能的全面提升。经过良好加工的TA15 钛合金，其室温抗拉强度可以稳定在960MPa以上，甚至更高。

首先，在强度方面，性能的提升遵循经典的霍尔-佩奇（Hall-Petch）关系。显著细化的α晶粒和原始β晶粒，意味着晶界密度大幅增加。这些晶界作为位错运动的有效障碍，能够显著提高位错启动和滑移的阻力，从而使合金的屈服强度和抗拉强度得到大幅提升。

其次，在塑性与韧性方面，双态组织展现出独特的优势。其中，等轴的初生α相具有良好的塑性变形能力，在受力时能够优先发生变形，有效容纳应变，从而保证了材料具备良好的宏观塑性。与此同时，精细的β转变基体对于提高韧性至关重要。当裂纹在材料中扩展时，遇到由细小α集束构成的复杂结构，其扩展路径会变得异常曲折。裂纹需要不断改变方向以穿过不同取向的α片层和α/β相界，这一过程会消耗大量的能量，从而显著提高了材料的断裂韧性。断裂模式也因此表现为典型的韧性断裂，断口布满细密的韧窝。

最后，在疲劳性能方面，组织细化和均匀化同样带来了显著的改善。一方面，细小的晶粒降低了应力集中的程度，使得疲劳裂纹的萌生变得更加困难。另一方面，锻造过程消除了原始材料中可能存在的孔洞、疏松等冶金缺陷，这些缺陷往往是疲劳断裂的策源地。同时，复杂的裂纹扩展路径也有效延缓了疲劳裂纹的扩展速率。这些因素共同作用，赋予了材料优异的抗疲劳性能，其高周疲劳强度可达 498MPa左右，确保了构件在循环载荷下的长期服役可靠性。

四、结语

多道次自由锻通过调控动态回复与再结晶、利用α相钉扎效应，实现了TA15 钛合金β晶粒的有效细化与组织均匀化，显著提升了材料的强度、塑性、韧性及疲劳性能。该工艺为解决粗大初始组织导致的性能缺陷提供了可行路径，对优化近α型钛合金热加工工艺、提高航空航天关键承力部件的服役可靠性具有重要指导意义。未来可进一步探索道次参数与组织性能的定量关系，为工业化生产提供更精准的工艺支撑。

参考文献

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