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作者与机构及发表信息
本研究的主要作者为Zhi-wei Lian及其团队，包括She-wei Xin、Ping Guo、Huan Wang、Fei Qiang、Xing-yang Tu和Hong-lin Fang。研究由西北有色金属研究院（Xi’an, China）完成，并于2024年9月3日被接受发表在《Metals and Materials International》期刊上，文章DOI为10.1007/s12540-024-01806-6。
研究背景
钛合金因其高强度重量比、良好的机械性能和耐腐蚀性，在交通运输、海洋工程和化工设备中得到了广泛应用。近年来，随着工业的快速发展，对高性能钛合金的需求不断增加，这促使研究人员进一步改进TC4钛合金（Ti-6Al-4V）的强度、韧性和耐腐蚀性。目前，改善钛合金性能的方法中，合金化被认为是最基本且能显著降低成本的方式之一。然而，关于Cr和Fe元素协同效应对钛合金应力腐蚀断裂韧性影响的研究较少。为此，本研究旨在通过分析Cr和Fe元素对TC4钛合金微观结构、力学性能和应力腐蚀断裂韧性的影响，揭示其协同作用机制。
研究方法与实验流程
本研究主要包括以下几个步骤：
材料制备
实验使用真空自耗电弧熔炼炉制备了两种钛合金坯料，分别为TC4和TC4-Cr-Fe，每种合金的质量为20公斤。随后，将坯料在930℃下进行常规锻造，压缩率为60%，最终尺寸约为90 mm × 90 mm × 500 mm。通过金相技术测定了两种钛合金的α/β转变温度。
样品处理与热处理
锻造后，样品经过箱式电阻炉进行热处理，工艺为910℃保温1小时空冷，再进行500℃保温4小时空冷。热处理在β转变曲线以下进行。样品的加工图和热处理方案如图1所示。
微观结构观察
使用Olympus PM-G3光学显微镜和SU-5000扫描电子显微镜（SEM）观察两种钛合金的微观结构。样品表面经过研磨和抛光后，用Kroll试剂（10% HF、30% HNO3、70% H2O）进行蚀刻。通过X射线衍射仪（XRD）分析相组成，扫描速度为2°/min，范围为10°-90°，步长为0.02°。
力学性能测试
在MTS试验机上以1 mm/min的速度进行拉伸试验，每组样品取两个平行样。根据GB/T 228.1–2021标准进行拉伸测试。
应力腐蚀断裂韧性测试
在MTS370-250KN电液伺服疲劳试验机上进行腐蚀条件下的断裂韧性测试，标准为GB/T 15970.6–2007。预裂纹采用K-缩减法生成，长度为0.45W ≤ a ≤ 0.55W。测试频率为8 Hz，波形为正弦波，循环次数为10,000至13,000次。加载过程中采用恒定位移加载，加载开口通过COD规测量。
数据分析
使用Channel 5软件处理EBSD数据，计算晶界取向差、Schmid因子和几何必要位错密度（GND）。通过核平均取向差（KAM）方法确定局部取向差。
主要结果
1. 相组成分析
XRD结果显示，TC4-Cr-Fe合金在约57°处显示出更强的β相衍射峰，表明其β相含量高于TC4合金。此外，未检测到硬脆相TiCr2的存在。
微观结构分析
热处理后的微观结构显示，两种合金均为典型的双峰结构，包括β相、初生α相（αp）和次生α相（αs）。统计结果表明，添加Cr和Fe元素可显著细化αp和αs的尺寸，同时促进αs的形成。TC4-Cr-Fe合金中αs的聚集区域数量更多，方向更加多样化。
力学性能分析
拉伸测试结果显示，TC4-Cr-Fe合金的抗拉强度高于TC4合金，但延展性略有下降。应力腐蚀断裂韧性测试表明，TC4-Cr-Fe合金的KISCC值为55.3 MPa·m1/2，高于TC4合金。
Schmid因子分析
TC4-Cr-Fe合金在金字塔滑移系统中Schmid因子≤0.3的比例为55.4%，显著高于TC4合金的24.1%。这可能是由于Cr和Fe固溶原子引起的晶格畸变增加了晶粒取向强度。
晶界与位错密度分析
EBSD分析显示，TC4-Cr-Fe合金的小角度晶界比例为28%，高于TC4合金的18%。此外，TC4-Cr-Fe合金的位错密度（ρgnd）为1.56 × 1014 m−2，高于TC4合金的1.41 × 1014 m−2。
结论与意义
本研究表明，添加1% Cr和1% Fe元素可增加β相含量，促进αs的形成并降低其长宽比，从而提高TC4钛合金的强度和应力腐蚀断裂韧性。TC4-Cr-Fe合金的KISCC值为55.3 MPa·m1/2，显著高于TC4合金。此外，Cr元素的添加可在合金表面形成致密的Cr2O3氧化层，抑制晶间腐蚀。小角度晶界的低能量和扩散率进一步增强了抗腐蚀性能。
这项研究不仅揭示了Cr和Fe元素对钛合金微观结构和力学性能的协同作用机制，还为开发低成本、高性能钛合金提供了理论依据。研究成果在航空航天、海洋工程等领域具有重要的应用价值。
研究亮点
1. 首次详细分析了Cr和Fe元素对钛合金应力腐蚀断裂韧性的协同作用机制。 2. 揭示了αs相聚集区域的方向多样性对裂纹扩展路径的影响。 3. 提出了通过调控小角度晶界比例和位错密度来增强钛合金抗腐蚀性能的新思路。
其他有价值内容
研究团队指出，未来可以进一步探索Cr和Fe元素在不同含量下的协同效应，以及其在极端环境中的应用潜力。