高溫鈦合金因其出色的高溫強度、抗氧化性和抗蠕變性能，在航空航天、能源和化工等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。Ti65合金作為一種近α型高溫鈦合金，設(shè)計用于在高達650°C的溫度下長期使用，并能在650°C至750°C的溫度范圍內(nèi)短期高應(yīng)力條件下工作。

隨著航空航天發(fā)動機推重比及燃氣輪機效率的不斷提高，對Ti65合金耐熱性和機械性能的要求也日益增加。特別是在超出設(shè)計溫度范圍運行時，其機械性能顯著下降，這主要歸因于操作條件特別是溫度對材料性能的影響以及微觀結(jié)構(gòu)演化直接決定了其機械行為。因此，深入研究Ti65合金在高溫下的微觀結(jié)構(gòu)演變和變形機制對于進一步提升其應(yīng)用潛力具有重要意義。

針對上述問題，沈陽飛機設(shè)計研究所、昱華先進材料研究院、中國科學(xué)院金屬研究所等組成的研究團隊利用澤攸科技原位SEM進行了深入研究，他們通過原位拉伸測試和微觀結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)地研究了Ti65合金在高溫下的塑性變形行為，揭示了其變形機制，研究成果為高溫鈦合金的設(shè)計與應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。相關(guān)成果以“In-Situ Investigation on Plastic Deformation Behavior of High-Temperature Ti65 Alloy”為題發(fā)表在SSRN上，原文鏈接：http://dx.doi.org/10.2139/ssrn.5192479

該研究聚焦于Ti65高溫鈦合金在不同溫度下的塑性變形行為，尤其是其在高溫條件下的微觀結(jié)構(gòu)演變和變形機制。通過采用原位掃描電子顯微鏡(SEM)與電子背散射衍射(EBSD)技術(shù)相結(jié)合的方法，研究團隊對Ti65合金進行了室溫和700°C條件下的拉伸實驗。實驗中使用的試樣是從直徑為300毫米的鍛造Ti65合金棒上用電火花線切割機加工而成的啞鈴形拉伸試樣。拉伸測試在電子試驗機上進行，應(yīng)變速率為2.8×10?3 s?1，并利用視頻引伸計測量標距段的應(yīng)變。

圖 Ti65合金在室溫下的原位拉伸測試：(a-c)分別為0%、1%和5%應(yīng)變下的掃描電鏡圖像及滑移跡線分析；(d-f)分別為0%、1%和5%應(yīng)變下的反極圖（IPF）映射

研究不僅分析了滑移活動、晶體取向旋轉(zhuǎn)及滑移傳遞行為，還探討了Ti65合金在高、低溫條件下的拉伸變形行為。具體而言，通過Schmid因子計算和滑移跡線分析方法確定了每個加載步驟中的活躍滑移系。根據(jù)Schmid定律，具有Schmid因子值的滑移系通常會被激活。因此，首先計算所有考慮的滑移系的Schmid因子值，然后將理論SF值的滑移系視為活躍滑移系。同時，研究團隊也采用了幾何相容性因子(GCF)來描述相鄰晶粒間滑移系激活的協(xié)調(diào)程度，以分析多晶材料的塑性變形行為。GCF反映了鄰近晶粒之間滑移系統(tǒng)的幾何對齊程度，數(shù)值越高表示越容易發(fā)生滑移傳遞。

圖 Ti65合金：(a) 室溫拉伸測試的斷裂表面；(b) 高溫拉伸測試的斷裂表面

研究結(jié)果表明，在高溫條件下，由于熱激活效應(yīng)顯著降低了錐面滑移的臨界分解剪切應(yīng)力，促進了<a>和<c+a>滑移的廣泛激活，從而增強了材料的塑性變形能力。此外，研究發(fā)現(xiàn)滑移傳遞成為了高溫下協(xié)調(diào)變形的主要機制，高幾何相容性有助于位錯穿過晶界傳輸，有效緩解局部應(yīng)力集中，進一步優(yōu)化了材料的塑性。特別是在700°C時，隨著應(yīng)變增加，棱柱面和基面滑移的比例減少，而錐面<a>和<c+a>滑移的比例顯著增加，顯示出這些滑移系統(tǒng)在提高材料高溫塑性方面的重要作用。

圖 Ti65合金在室溫（a-c）和高溫（d-f）拉伸測試過程中兩組選定晶粒之間的滑移傳遞行為：(a, d) 反極圖（IPF）+ 掃描電鏡（SEM）圖像；(b, e) 核平均取向差（KAM）圖；(c, f) KAM值的線性分布

通過對拉伸斷裂形態(tài)的分析，研究人員發(fā)現(xiàn)室溫拉伸斷裂主要特征是高密度的小淺凹坑，且有明顯的撕裂邊緣和凹坑帶，表現(xiàn)出典型的韌性-脆性混合斷裂模式；而在高溫條件下，斷裂表面呈現(xiàn)出微孔聚集擴展的不同方向軌跡，顯示出更加顯著的韌性斷裂特性。這些發(fā)現(xiàn)對于理解Ti65合金在高溫條件下的力學(xué)行為、優(yōu)化熱機械加工工藝以及擴大其工程應(yīng)用潛力具有重要意義。