导读
针对新型高强度亚稳β型Ti-3.5Al-5Mo-4V (Ti-B20)合金在固溶或时效处理后出现的初始β晶粒尺寸大、塑性差、晶粒细化效果有限等问题，采用高压扭转(HPT)法制备了大变形晶粒的Ti-B20合金。对经HPT热处理的TiB20合金在850 ℃的β相场中进行不同时间的退火处理，系统地揭示了HPT加工过程中的变形机理和变形合金的再结晶行为。该工作为制备具有协同强度和塑性的细晶β钛合金提供了新的思路。
与具有粗晶结构的普通金属材料相比，超细晶(UFG)和纳米晶(NG)金属材料具有高强度、良好的塑性和抗疲劳性能，在航空航天和医疗应用中吸引了广泛关注，UFG/NG金属材料的制备已成为实际工程和医学应用的重要研究领域之一。近年来，大塑性变形(SPD)技术被认为是通过引入较大应变来实现块状UFG/ NG材料的有效方法，主要包括等通道角压(ECAP)、累积叠轧(ARB)和高压扭转(HPT)。其中HPT可以提供更大的塑性应变，从而产生比ECAP和ARB更细的晶粒，因而被广泛应用于UFG和NG结构钛合金的加工，以显著提高钛合金的强度。
早期HPT法制备纳米钛合金主要集中在α-钛合金、工业纯钛和TC4钛合金等延展性较差的合金中。随着航空航天和生物医学领域的发展，对采用HPT法细化β型钛合金晶粒进行了深入的研究，发现HPT诱导的高位错密度UFG钛合金的力学性能表现为强度与塑性不相容或只能用硬度来表征。通过HPT结合适当的退火处理来产生具有低位错密度的均匀细晶组织，是实现良好的强度-塑性协同作用的一种有潜力的方法。因此，研究钛合金在HPT加工过程中的组织演变，然后通过退火处理调整结构以优化其力学性能具有重要的价值。
Ti-3.5Al-5Mo-4V (Ti-B20)合金原始晶粒尺寸较大，固溶时效处理后塑性较差。据文献报道，在β相场中轧制压下90%后，其晶粒尺寸由初始状态的175.5 ?m减小到66.1 ?m。合金的抗拉强度为915 MPa，伸长率仅为10%。为了提高Ti-B20合金的力学性能，必须进一步细化β晶粒尺寸。基于此，贵州大学的向嵩教授研究团队基于临界Mo等效设计原则研制出一种新型高强度亚稳态β型Ti-B20合金，研究了HPT变形后Ti-B20合金的组织演变。在室温下进行HPT处理，并通过适当的退火处理制备出具有细晶组织的合金，且具有良好的强度和塑性平衡。相关研究成果以题为“Exceptional strength-plasticity synergy in β-Ti alloy via HPT and short-period annealing”发表于期刊《Journal of Alloys and Compounds》。
HPT加工过程中的变形模式主要是原始晶粒和马氏体相(α″)的位错滑移和剪切带（SBs）分裂。随着应变的增大，位错的堆积和晶粒的细化使硬度沿径向呈梯度增加。
在再结晶退火过程中，Ti-B20合金HPT变形产生的SBs和高密度位错是再结晶晶粒优先成核的部位，显著促进了再结晶晶粒的形核和长大，促进了合金的回复或再结晶过程。随着退火时间从3 s增加到60 s，再结晶体积分数从16.7%迅速增加到87.5%。
在850 ℃退火60 s后，HPT试样获得了低位错密度的细晶组织。退火后的合金晶粒尺寸约为14.68 ?m，强度为941.9 MPa，伸长率为39.7%。这是迄今为止报道的Ti-B20合金的最佳塑性，低位错密度的细晶粒在保持高强度的同时，为位错滑移和积累提供了更多的空间。对于具有粗晶粒和低塑性的合金这是一个巨大突破。
