关于Ti35合金塑性变形及微观组织和织构演变的研究报告

一、研究作者与发表信息

该研究的主要作者包括Jianping Xu、Chengze Liu、Jinping Wu、Boyi Qi、Yusheng Zhang、Yongqing Zhao以及Lian Zhou，研究机构分别为西安交通大学材料力学行为国家重点实验室、西安稀有金属材料研究院有限公司以及西北有色金属研究院。本文发表于《Materials Science & Engineering A》期刊的第819卷（2021年第141508期），在线发布日期为2021年5月28日。

二、研究背景及目的

本研究属于材料科学与工程领域，主要聚焦于核工业中常用的Ti35合金在不同温度下的塑性变形、微观组织以及织构演变。随着核能回收利用技术的快速发展，如何提高用于乏燃料处理设备的结构材料的耐腐蚀性成为关键问题。近α型钛合金Ti35（钛-6wt.%钽）以其在模拟乏燃料处理溶解器腐蚀介质中的长期腐蚀耐久性以及其优异的加工性、塑性、韧性和可焊性，被成功应用于我国核工业的再处理设备中。然而，微观组织和织构的变化显著影响了金属材料的机械和耐腐蚀性能，目前关于Ti35合金在加工和退火过程中的微观演变还缺乏深入研究。

因此，本研究旨在通过冷轧、热轧和退火等工艺，系统研究Ti35合金在不同温度下的微观组织和织构演变机制，并进一步探讨其对力学性能的影响，为核工业设备的安全性提供基础理论参考。

三、研究流程及实验方法

1、实验材料与样品制备

研究对象为Ti35合金，其化学组成为钛-6.1wt.%钽。合金通过真空自耗电弧熔炼法制备，随后从锭中央切取厚度为18mm的圆盘状材料。研究分别制备了两种立方样品用于加工实验：一种用于1123K （低于α/β转变温度）的热轧，另一种在室温进行了冷轧。最终每种样品的厚度均通过双辊轧制机减少50%。

材料热处理在923K下进行，保温60分钟后空冷。实验还对热轧和冷轧后的样品进行了退火（HT = Heat Treatment）。

2、显微组织与织构分析

显微组织的表征通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）、电子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction，EBSD）、透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）进行。

• EBSD样品经过机械抛光和电解抛光，电解抛光溶液由甲醇、正丁醇和高氯酸按6:3:1比例配制，操作温度为-40°C。
• TEM样品通过电解双喷工艺制备，最终使用TEM分析其亚结构和晶界特性。

3、性能测试

力学性能通过维氏硬度和室温拉伸测试测量。硬度测试载荷为200gf，保持时间为15秒；拉伸测试使用Instron 5982测试机，拉伸方向与轧制方向一致，样品尺寸为2×4×13mm³，变形速率为1.28×10^-3 s^-1。

四、研究结果

1、冷轧（CR）条件下的显微组织与织构

冷轧后的Ti35合金显示出α相薄片沿轧制方向（RD）弯曲和断裂，部分发生晶体取向改变。EBSD结果显示，在冷轧后样品的法线方向（ND）内{0001}α织构强烈，最大强度为31.03×随机分布。

热处理后，晶粒完全重结晶，ND平面出现长方形晶界，直径约为5-20μm，长度为5-60μm，而RD和TD平面仍为等轴晶粒。织构强度明显降低至7.21×随机分布。

2、热轧（HR）条件下的显微组织与织构

热轧样品表现出大量变形孪晶，包括85°<12-10>拉伸孪晶和64°<11-00>压缩孪晶。晶粒尺寸为20-120μm，具有等轴晶粒特征。经923K退火后，孪晶完全重结晶，形成以ND垂直方向为主的等轴晶粒。

3、力学性能测试结果

冷轧样品的维氏硬度和拉伸强度显著高于退火后样品（CR-HT）。然而，热轧样品的屈服强度和延伸率均优于退火后的热轧样品（HR-HT），说明变形孪晶在强度和塑性协调中起到了关键作用。

五、研究结论

1. 冷轧后，由于α相弯曲和破碎，法线方向主要呈现出{0001}α织构。经过热处理，ND方向出现砖块状晶粒形貌，织构强度显著减弱。
2. 热轧过程中，85°<12-10>拉伸孪晶和64°<11-00>压缩孪晶为主要变形机制，923K退火后形成与ND垂直的等轴晶粒。
3. 室温塑性变形中，位错滑移是主导机制，而高温下滑移与孪晶共同驱动塑性变形。
4. 孪晶的演变对Ti35合金的力学性能有显著影响，能够提高屈服强度和延伸率。

六、研究亮点

1. 首次对Ti35合金微观组织的三维演变进行了系统研究。
2. 发现在冷轧后热处理过程中，出现了特殊的砖块状晶界晶粒形貌。
3. 阐明了孪晶在热轧条件下的变形机制及其在力学加强中的作用。

七、研究意义

该研究为核工业Ti35合金在不同加工条件下的组织性能调控提供了新的理解，能够为生产高性能抗腐蚀材料提供支撑。同时，关于冷轧、热轧和孪晶机制的系统研究为进一步优化钛合金的加工工艺提供了基础理论指导。