鄭士建 劉正 鄭曉東 馬英杰

摘要 界面工程是提升工程合金強(qiáng)度和塑性等力學(xué)性能的重要途徑。雙相片層Ti-6Al-4V合金作為典型的工程合金，其原子尺度界面結(jié)構(gòu)對(duì)材料變形行為和強(qiáng)塑性的調(diào)控作用尚不清晰。本文綜述了傳統(tǒng)片層Ti-6Al-4V合金中α/β界面和增材制造法制備的片層Ti-6Al-4V合金中α/界面層/β和α′/β界面對(duì)強(qiáng)塑性的影響。因?yàn)棣?β界面兩側(cè)存在特定的取向關(guān)系，所以對(duì)不同滑移方向位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用具有各向異性，同時(shí)其原子尺度臺(tái)階狀的界面結(jié)構(gòu)又促進(jìn)了孿晶在界面處的形核。α/界面層/β界面結(jié)構(gòu)因?yàn)榻缑鎸拥拇嬖?，?duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)具有更強(qiáng)的阻礙作用，并且在較低應(yīng)變下產(chǎn)生形變孿晶，促進(jìn)孿生變形;α′/β界面結(jié)構(gòu)因?yàn)棣痢浜挺聝上囡@著的變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致界面應(yīng)力集中， 在α′/β界面處易形成微裂紋。這些不同的界面結(jié)構(gòu)導(dǎo)致材料強(qiáng)塑性的差異。通過(guò)系統(tǒng)論述Ti-6Al-4V合金不同界面結(jié)構(gòu)對(duì)材料變形行為及強(qiáng)塑性的影響，為合理設(shè)計(jì)界面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙相Ti-6Al-4V合金強(qiáng)塑性的提升提供思路。

關(guān) 鍵 詞 界面;片層Ti-6Al-4V合金;強(qiáng)塑性;透射電子顯微學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào) TG135.1? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

Abstract Interface engineering is an important way to improve the mechanical properties such as strength and plasticity of engineering alloys. The dual-phase lamellar Ti-6Al-4V alloy is a typical engineering alloy， and its atomic-scale interface structure has an unclear control effect on material deformation behavior and strength and plasticity. This article reviews the effects of α/β interface in traditional lamellar Ti-6Al-4V alloy and α/interface layer/β and α′/β interface in lamellar Ti-6Al-4V alloy prepared by additive manufacturing on strength and plasticity. Because of the specific orientation relationship on both sides of the α/β interface， the hindering effect on the movement of dislocations in different slip directions is anisotropic， and its atomic-scale step interface structure promotes the nucleation of twins at the interface. The α/interface layer/β interface structure has a stronger hindering effect on the movement of dislocations due to the existence of the interface layer， and produces deformation twins under lower strain， which promotes twin deformation; The α′/β interface structure is due to the significant inconsistent deformation of the α′ and β phases， which causes the interface stress to concentrate， and microcracks are prone to form at the α′/β interface. These different interface structures lead to differences in material strength and plasticity. By systematically discussing the effects of different interface structures of Ti-6Al-4V alloy on the deformation behavior and strength and plasticity of materials， it provides ideas for the rational design of the interface structure to achieve the improvement of the dual-phase Ti-6Al-4V alloy strength and plasticity.

Key words interface; lamellar Ti-6Al-4V alloy; strength and plasticity; transmission electron microscopy

0 引言

金屬材料在工業(yè)應(yīng)用中有著不可替代的作用?？焖侔l(fā)展的航空航天等領(lǐng)域?qū)饘俨牧系男阅芤笤絹?lái)越高，而金屬材料強(qiáng)度-塑性倒置關(guān)系一直是金屬材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，例如強(qiáng)度的提升通常會(huì)伴隨一定塑性的損失。國(guó)內(nèi)外大量研究表明[1-4]，界面工程可以有效地提升金屬結(jié)構(gòu)材料的綜合力學(xué)性能。

界面在金屬材料的變形行為中起著重要作用，界面可以與位錯(cuò)滑移、孿生變形相互作用從而影響金屬材料的力學(xué)性能[5-6]。例如界面可以阻礙位錯(cuò)滑移提升金屬材料的強(qiáng)度，也可以允許某些特定位錯(cuò)通過(guò)界面進(jìn)行滑移傳遞，或者為孿晶提供形核位置，從而提高金屬的塑性變形能力，即提升金屬材料的塑性;同時(shí)界面也是影響微裂紋萌生及擴(kuò)展的重要因素[7-10]。納米層狀Cu-Nb復(fù)合材料原子尺度界面研究表明[11]，通過(guò)改變制備工藝可以對(duì)納米層狀Cu-Nb復(fù)合材料原子尺度界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，從而改變納米層狀Cu-Nb復(fù)合材料的塑性變形機(jī)制，改善材料的力學(xué)性能。

目前在工程合金領(lǐng)域，人們對(duì)原子尺度界面結(jié)構(gòu)對(duì)合金性能的影響機(jī)理也進(jìn)行了大量研究[12-14]。Ti-6Al-4V合金作為典型的工程合金，具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、損傷容限高等優(yōu)異的性能而被廣泛應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域[15-16]。Ti-6Al-4V合金屬于一種雙相鈦合金，含有α和β兩相，α相為密排六方晶體結(jié)構(gòu)、β相為體心立方晶體結(jié)構(gòu)。雙相鈦合金具有3種常見(jiàn)的組織結(jié)構(gòu)：等軸組織、雙態(tài)組織和片層組織。片層Ti-6Al-4V合金具有高強(qiáng)度、良好的斷裂韌性及優(yōu)異的抵抗裂紋擴(kuò)展能力，因而具備出色的損傷容限[17]。在實(shí)際航天航空工程應(yīng)用中，對(duì)材料在有損傷條件下的使役行為與壽命有著更高的要求，使得直升機(jī)的主旋翼和尾旋翼等一些結(jié)構(gòu)件通常會(huì)選擇具有出色損傷容限的片層Ti-6Al-4V合金[16]?，F(xiàn)代航天航空工業(yè)對(duì)片層Ti-6Al-4V合金的強(qiáng)塑性有了更高的要求，具有片層組織的雙相Ti-6Al-4V合金在材料塑性上不如具有等軸和雙態(tài)組織的雙相Ti-6Al-4V合金，所以如何利用界面的調(diào)控作用實(shí)現(xiàn)片層Ti-6Al-4V合金強(qiáng)塑性綜合提升成為當(dāng)前有待解決的科學(xué)問(wèn)題。

片層Ti-6Al-4V合金含有高密度界面，研究這些界面在變形過(guò)程中對(duì)力學(xué)性能的作用機(jī)制具有重要的理論意義，對(duì)工程應(yīng)用也具有重要的指導(dǎo)意義。本文綜述了具有不同界面結(jié)構(gòu)的片層Ti-6Al-4V合金界面結(jié)構(gòu)對(duì)片層Ti-6Al-4V合金強(qiáng)塑性的影響。文中主要介紹傳統(tǒng)α/β界面結(jié)構(gòu)對(duì)塑性變形的影響，以及近年來(lái)增材制造技術(shù)制備的Ti-6Al-4V合金中α/界面層/β和α′/β兩種不同界面結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)塑性的影響，通過(guò)原子尺度微觀變形機(jī)制的研究，旨在闡明界面與位錯(cuò)、孿晶、變形帶等之間的交互作用，為建立雙相Ti-6Al-4V合金的界面結(jié)構(gòu)-性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及通過(guò)界面工程實(shí)現(xiàn)雙相Ti-6Al-4V合金強(qiáng)塑性的綜合提升提供理論基礎(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)原子尺度微觀變形機(jī)制對(duì)高強(qiáng)韌鈦合金加工與制備的指導(dǎo)及我國(guó)新型高性能鈦合金材料的重大突破。

1 Ti-6Al-4V合金中α/β界面對(duì)變形機(jī)制及強(qiáng)塑性的影響

1.1 α/β界面與位錯(cuò)相互作用

對(duì)于雙相鈦合金，大部分研究集中于組織結(jié)構(gòu)對(duì)合金宏觀變形行為及強(qiáng)塑性的影響[18-19]，而合金相界面上的位錯(cuò)滑移傳遞對(duì)改善金屬?gòu)?qiáng)度、塑性等一些長(zhǎng)期存在的問(wèn)題同樣至關(guān)重要。目前很多研究表明[10，20]，雙相鈦合金的α和β兩相界面具有一定的取向關(guān)系。根據(jù)雙相鈦合金α相和β相的晶體學(xué)和幾何關(guān)系的研究[21-22]，如圖1a）所示，片層Ti-6Al-4V合金中α相與β相之間通常遵循Burgers取向關(guān)系，即：[（0002）α//（101）β]和[[2110]α//[111]β]。目前通過(guò)傳統(tǒng)鑄造得到Ti-6Al-4V合金鑄錠粗坯，然后進(jìn)行一定的熱處理工藝能夠獲得含α/β界面結(jié)構(gòu)片層Ti-6Al-4V合金。Zheng等[22]通過(guò)真空自耗電弧熔煉、鍛造制備雙相Ti-6Al-4V合金，再將雙相Ti-6Al-4V合金在1 000 ℃保溫1 h，最后通過(guò)爐冷獲得由α片層和β片層交替組成的高密度α/β界面的全片層Ti-6Al-4V合金，其高密度的α/β界面必然對(duì)合金的變形行為及強(qiáng)塑性產(chǎn)生影響。片層Ti-6Al-4V合金中β相的體積分?jǐn)?shù)占比較少（10%左右），所以變形方式由密排六方結(jié)構(gòu)的α相主導(dǎo)。α相變形以基面滑移[0001<1120>]和柱面滑移[1010<1120>]為主，同時(shí)基面和柱面上有3種柏氏矢量方向不同的位錯(cuò)[23-24]，即柏氏矢量沿[[2110]]的[a1]位錯(cuò)、柏氏矢量沿[[1210]]的[a2]位錯(cuò)和柏氏矢量沿[[1120]]的[a3]位錯(cuò);在β相中也存在兩種柏氏矢量方向不同的[b1]和[b2]位錯(cuò)，即柏氏矢量沿[[111]]的[b1]位錯(cuò)和柏氏矢量沿[[111]]的[b2]位錯(cuò)，如圖1b）所示[10]。在片層Ti-6Al-4V合金中，這種特定的Burgers界面取向關(guān)系在一定程度上影響著α/β界面與位錯(cuò)的交互作用。目前也有研究表明，基面和柱面上不同取向的位錯(cuò)在α/β界面處的滑移傳遞，使得片層Ti-6Al-4V合金具有不同的強(qiáng)度和塑性，這也為依靠界面結(jié)構(gòu)調(diào)控材料的力學(xué)性能提供了科學(xué)依據(jù)。

1.1.1 α/β界面與位錯(cuò)相互作用對(duì)強(qiáng)塑性的影響

片層Ti-6Al-4V合金發(fā)生塑性變形時(shí)，α/β界面與柱面和基面滑移系中型位錯(cuò)發(fā)生交互作用，α/β界面對(duì)柱面和基面上不同取向的位錯(cuò)滑移傳遞具有不同程度的阻礙作用，使材料的力學(xué)性能也隨之發(fā)生改變。Suri等[10]在雙相鈦合金α/β界面與柱面滑移系中型位錯(cuò)滑移變形機(jī)制的研究中發(fā)現(xiàn)：開(kāi)動(dòng)不同柱面滑移的α集束表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能。通過(guò)對(duì)定向激活柱面[[2110]（0110）]滑移系（a1滑移系）、柱面[[1210]（1010）]滑移系（a2滑移系）的OA、OB單個(gè)α集束進(jìn)行恒應(yīng)變速率形變實(shí)驗(yàn)，α相柱面滑移系中a1滑移系在應(yīng)力軸方向[[3410]]且a2滑移系在應(yīng)力軸方向[[4310]]的施密特因子達(dá)到最大值0.5，因此相對(duì)容易使特定位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)。如圖2所示，以開(kāi)動(dòng)柱面a2滑移系為主的α集束比以開(kāi)動(dòng)柱面a1滑移系為主的α集束表現(xiàn)出更高的屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化，且以柱面a2滑移系為主的α集束具有更高的應(yīng)變硬化能力，伴隨著明顯的加工硬化[10]。如圖3a）所示，α相中基面位錯(cuò)滑移方向分別為[[2110]]a1、[[1210]]a2、[[1120]]a3，β相中位錯(cuò)滑移方向分別為[[111]]b1和[[111]]b2，Savage等[20]在單個(gè)α集束有利于基面a1、a2、a3滑移開(kāi)動(dòng)方向上進(jìn)行恒應(yīng)變速率壓縮實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明基面滑移a1、a2、a3滑移方向?yàn)橹鲗?dǎo)變形方式的α集束對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度分別為670、821、765 MPa，臨界剪切應(yīng)力分別為330、405、375 MPa，由真應(yīng)力應(yīng)變曲線測(cè)得其應(yīng)變硬化指數(shù)n分別為0.034、0.047、0.052，如圖3b）～ d）所示，即變形由不同滑移方向主導(dǎo)的α集束具有不同的屈服強(qiáng)度、臨界剪切應(yīng)力和應(yīng)變硬化。通過(guò)進(jìn)一步分析，研究人員發(fā)現(xiàn)這是由界面對(duì)α相中的位錯(cuò)的選擇性決定的[20]。

1.1.2 α/β界面與位錯(cuò)交互作用機(jī)制

在片層雙相鈦合金中，α相與β相中分別存在對(duì)應(yīng)的位錯(cuò)滑移方向且存在不同大小的取向差異和失配。在開(kāi)動(dòng)柱面和基面滑移系變形后試樣表征研究發(fā)現(xiàn)：如圖4a）、圖5a）、圖4b）、圖5b）所示，當(dāng)柏氏矢量沿a1和a2方向的位錯(cuò)在α/β界面滑移傳遞時(shí)，易于穿過(guò)α/β界面進(jìn)行滑移傳遞。這是由于兩相之間中的位錯(cuò)滑移取向具有較小的差異和失配，α相滑移中的[[2110]]a1滑移方向與β相中的[[111]]b1滑移方向幾乎平行（0.56°角度差），α/β界面對(duì)a1位錯(cuò)滑移傳遞幾乎沒(méi)有阻礙作用;同時(shí)由于滑移方向[[1210]]a2與[[111]]b2接近平行（11.5°角度差），a2位錯(cuò)能夠穿過(guò)β片層，但是相對(duì)于a1位錯(cuò)在α/β界面的傳遞過(guò)程，α/β界面對(duì)a2位錯(cuò)具有更強(qiáng)的阻礙作用[10] ，所以下面主要對(duì)α/β界面上的a2位錯(cuò)滑移傳遞機(jī)制進(jìn)行研究。而柏氏矢量沿a3方向的位錯(cuò)在α/β界面滑移傳遞時(shí)，滑移方向[[1120]]a3在β相沒(méi)有相匹配的滑移位錯(cuò)，兩相之間位錯(cuò)滑移取向差異和失配達(dá)到最大，如圖5c）所示，a3位錯(cuò)不能穿過(guò)α/β界面滑移傳遞。綜上所述，位錯(cuò)在α/β界面處滑移傳遞時(shí)，α/β界面與位錯(cuò)相互作用的各向異性使塑性變形具有明顯的取向依賴(lài)性，從而造成雙相鈦合金強(qiáng)塑性的差異[10，20，25]。

如上述圖4b）和圖5b）所示，α/β界面存在大量柏氏矢量非柱面和基面a2滑移方向及部分柏氏矢量沿柱面a2滑移方向的位錯(cuò)塞積，這是由于當(dāng)柏氏矢量沿a2方向的位錯(cuò)穿過(guò)α/β界面時(shí)通過(guò)形成殘余位錯(cuò)來(lái)調(diào)節(jié)這種取向差異和失配，從而實(shí)現(xiàn)位錯(cuò)在α和β片層之間的傳遞[20]。此外，全位錯(cuò)還可以通過(guò)分解為肖克萊不全位錯(cuò)來(lái)促進(jìn)其他類(lèi)型位錯(cuò)在界面處的傳遞。有研究表明，通過(guò)全位錯(cuò)分解為肖克萊不全位錯(cuò)，增加了界面處位錯(cuò)反應(yīng)的可能性，促進(jìn)了位錯(cuò)在α/β界面處的傳遞[26]。Zhao等[26]通過(guò)原子尺度計(jì)算結(jié)合相場(chǎng)模擬及顯微學(xué)實(shí)驗(yàn)表征顯示，在有利于基面[[1210]]a2滑移開(kāi)動(dòng)方向上壓縮變形的α集束中，β片層兩側(cè)界面處存在[[2110]]a1位錯(cuò)和[[1120]]a3位錯(cuò)，β片層中存在[[111]]b1和[[111]]b2型位錯(cuò)，如圖6所示。經(jīng)過(guò)分析獲知，[（0001）α//（101）β]基面上的[[1210]]a2位錯(cuò)在α/β界面滑移傳遞過(guò)程中，殘余位錯(cuò)塞積并發(fā)生位錯(cuò)反應(yīng)最終形成[[2110]]a1位錯(cuò)和[[1120]]a3位錯(cuò)，肖克萊不全位錯(cuò)在α/β界面的位錯(cuò)滑移傳遞過(guò)程中起到關(guān)鍵作用。圖7所示為柏氏矢量沿[[1210]]方向的a2位錯(cuò)在α片層和β片層連續(xù)傳遞的過(guò)程。當(dāng)a2位錯(cuò)穿過(guò)α/β界面時(shí)發(fā)生位錯(cuò)分解，通過(guò)形成殘余位錯(cuò)br2、殘余位錯(cuò)br1進(jìn)行位錯(cuò)滑移傳遞，其中殘余位錯(cuò)塞積并發(fā)生位錯(cuò)反應(yīng)能夠轉(zhuǎn)換成肖克萊不全位錯(cuò)a3′（其中a3′位錯(cuò)的柏氏矢量方向沿[[1010]]），而a2位錯(cuò)可以分解形成兩個(gè)肖克萊不全位錯(cuò)a1′和a2′（其中a1′和a2′位錯(cuò)的柏氏矢量分別沿[[1100]]和[[0110]]方向），這些肖克萊不全位錯(cuò)繼續(xù)與α/β界面交互作用。綜上所述，肖克萊不全位錯(cuò)為基面位錯(cuò)在穿過(guò)α/β界面過(guò)程傳遞提供了可行的位錯(cuò)反應(yīng)，可減少位錯(cuò)傳遞過(guò)程中殘余位錯(cuò)在α/β界面的塞積，促進(jìn)材料的塑性變形[26]。

α/β界面上的位錯(cuò)滑移傳遞機(jī)制對(duì)改善片層Ti-6Al-4V合金的強(qiáng)塑性具有重要指導(dǎo)意義。上述α/β界面與位錯(cuò)交互作用對(duì)雙相鈦合金的強(qiáng)塑性有著重要影響，當(dāng)兩個(gè)位錯(cuò)相遇發(fā)生反應(yīng)時(shí)，有研究表明通過(guò)合金化等能夠降低堆垛層錯(cuò)能[27]，進(jìn)而促進(jìn)位錯(cuò)反應(yīng)的分解，促進(jìn)位錯(cuò)在α/β界面的滑移傳遞，使肖克萊不全位錯(cuò)數(shù)量增加，提高材料的塑性及更高的加工硬化率，對(duì)片層Ti-6Al-4V合金的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供思路。

1.1.3 α/β界面與位錯(cuò)的交互作用

在片層Ti-6Al-4V合金中，密排六方α相中柱面滑移和基面滑移都無(wú)法調(diào)控c軸方向產(chǎn)生的應(yīng)變，往往需要開(kāi)動(dòng)位錯(cuò)來(lái)協(xié)調(diào)塑性變形。由于界面與位錯(cuò)的交互作用的各向異性，使得合金在不同方向上加載具有不同的強(qiáng)塑性。Mine等[28]通過(guò)研究片層Ti-6Al-4V合金單個(gè)α集束的強(qiáng)塑性，對(duì)單個(gè)α/β集束進(jìn)行原位微拉伸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：如圖8a）所示，錐面滑移臨界剪切應(yīng)力約為690 MPa，比柱面滑移（410 MPa）和基面滑移（330 MPa）的臨界剪切應(yīng)力大很多，且沿有利于或位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)方向加載會(huì)使材料表現(xiàn)出不同的屈服強(qiáng)度和拉伸塑性;如圖8b）～ d）所示（其中c-0表示沿[[0001]]應(yīng)力軸方向加載，Pr-a3表示沿與柱面滑移[[1120]]a3成45°方向應(yīng)力軸加載，Pr-a1表示沿與柱面滑移[[2110]]a1成45°方向應(yīng)力軸加載，Ba-a1表示沿與基面滑移[[2110]]a1成45°方向應(yīng)力軸加載;c-10-a1、a2、a3表示沿[[0001]]分別朝向a1、a2和a3傾斜10°應(yīng)力軸方向加載），位錯(cuò)滑移試樣比位錯(cuò)滑移試樣屈服強(qiáng)度高很多。通過(guò)進(jìn)一步分析，這是由于沿有利于位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)方向加載時(shí)，位錯(cuò)在α相啟動(dòng)，β相和α/β界面通過(guò)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高材料的強(qiáng)度;當(dāng)沿位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)方向加載時(shí)，由于滑移的臨界剪切應(yīng)力很大，此時(shí)位錯(cuò)首先在β相啟動(dòng)，α/β界面阻礙β相中的位錯(cuò)傳遞，也會(huì)提高材料的強(qiáng)度;位錯(cuò)不容易開(kāi)動(dòng)，可開(kāi)動(dòng)的滑移系減少，且位錯(cuò)首先在β相啟動(dòng)，而在片層Ti-6Al-4V合金中β相的含量較少，僅占約10%，所以此加載方向會(huì)降低材料的塑性變形能力，導(dǎo)致塑性顯著下降[28]。

1.2 α/β界面與孿晶的相互作用

由于密排六方結(jié)構(gòu)相對(duì)稱(chēng)性較低，導(dǎo)致其在發(fā)生塑性變形時(shí)能夠較易啟動(dòng)的獨(dú)立滑移系不足5個(gè)，而多晶材料發(fā)生范性塑性滑移至少需要5個(gè)獨(dú)立的滑移系統(tǒng)，因此密排六方結(jié)構(gòu)相發(fā)生塑性變形時(shí)往往需要錐面滑移或者孿生變形開(kāi)動(dòng)。在片層Ti-6Al-4V合金中，變形方式由密排六方結(jié)構(gòu)相主導(dǎo)，而在劇烈變形時(shí)中，Ti-6Al-4V合金中孿生變形往往占據(jù)主導(dǎo)作用[29-30]。下面討論片層Ti-6Al-4V合金塑性變形過(guò)程中α/β界面對(duì)孿生變形的影響機(jī)制，通過(guò)研究界面對(duì)孿生變形的影響能夠更好地理解界面在塑性變形中的作用。Zheng等[22]研究了片層Ti-6Al-4V合金中α/β界面對(duì)孿生變形的影響機(jī)制。通過(guò)高分辨透射電子顯微鏡對(duì)全片層Ti-6Al-4V合金循環(huán)加載樣品進(jìn)行表征，如圖9e）所示，未變形的片層Ti-6Al-4V合金α/β兩相界面具有原子尺度的臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)，并在循環(huán)加載后的疲勞裂紋附近觀察到形變孿晶，如圖9a）～ d）;且孿晶形成起始和擴(kuò)展終止位置都在α/β界面處，如圖9f）所示。通過(guò)分析，由于α/β界面對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙具有取向選擇性，在循環(huán)加載后[[1210]]a2位錯(cuò)和[[1120]]a3位錯(cuò)在α/β界面處塞積，且這種原子尺度臺(tái)階狀α/β界面結(jié)構(gòu)容易導(dǎo)致應(yīng)力集中，同時(shí)[[1210]]a2和[[1120]]a3全位錯(cuò)在α/β界面分解形成孿生位錯(cuò)和殘余位錯(cuò)，在3個(gè)因素同時(shí)作用下促進(jìn)孿晶形核。此外，在界面α/β界面處形核的孿晶會(huì)繼續(xù)與β相交互作用，如圖10a）所示，孿晶通過(guò)與界面交互作用使β片層發(fā)生扭折從而進(jìn)行連續(xù)傳遞。當(dāng)孿晶在α/β界面遇到β相時(shí)，產(chǎn)生應(yīng)力集中使β片層發(fā)生彈性彎曲，在β相中產(chǎn)生剪切應(yīng)力形成位錯(cuò)并使其向相反方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)β扭折帶的形成;在這樣的情況下，孿生應(yīng)變可以穿過(guò)β相促使孿生位錯(cuò)在β相另一側(cè)形核并繼續(xù)擴(kuò)展（圖10b）～ e）），最終實(shí)現(xiàn)孿晶在α片層和β片層中的連續(xù)擴(kuò)展。這使我們對(duì)孿晶與β相的交互作用及擴(kuò)展有了新的理解，孿晶的擴(kuò)展有利于孿生變形釋放內(nèi)應(yīng)力，減少內(nèi)應(yīng)力集中而產(chǎn)生的微裂紋，有利于片層Ti-6Al-4V合金的塑性變形[22]，為設(shè)計(jì)具有更高抗裂紋擴(kuò)展能力的片層雙相鈦合金提供了理論基礎(chǔ)。

2 增材制造Ti-6Al-4V合金中界面對(duì)變形機(jī)制及強(qiáng)塑性的影響

2.1 增材制造Ti-6Al-4V合金中的界面結(jié)構(gòu)

近年來(lái)，電子束激光熔化和選擇性激光熔化逐漸成為增材制造的主要方法。該方法通過(guò)激光束或者電子束與粉末原料相互作用產(chǎn)生熔池、凝固，由計(jì)算機(jī)輔助控制設(shè)計(jì)制造具有高密度、復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)件，在高性能金屬結(jié)構(gòu)件快速制造方向發(fā)展迅速。增材制造技術(shù)能夠快速地制備具有特定形狀且含有不同界面結(jié)構(gòu)的片層Ti-6Al-4V合金結(jié)構(gòu)件[31-32]。通過(guò)Ti-6Al-4V合金棒材制備成Ti-6Al-4V合金粉末，電子束激光熔化和選擇性激光熔化技術(shù)可以使α/β兩相界面分別轉(zhuǎn)換為α/界面層/β和α′/β界面[33-36]。對(duì)于α/界面層/β界面結(jié)構(gòu)，有研究發(fā)現(xiàn)雙相鈦合金中存在界面層[37-38]。這種界面層是不同于α相和β相的一種面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)相，界面層與α片層和β片層遵循特定的晶體學(xué)取向關(guān)系：[110β//111FCC//（0002）α]、[111β//[110]FCC//[1120]α][39]，通過(guò)熱處理可以由面心立方結(jié)構(gòu)（FCC）轉(zhuǎn)變?yōu)槊芘帕剑℉CP）相[37-39]。通過(guò)選擇性激光熔化（SLM）可以制備具有α′/β界面的Ti-6Al-4V合金。因?yàn)檫x擇性激光熔化技術(shù)制備的Ti-6Al-4V合金結(jié)構(gòu)件具有獨(dú)特的α′馬氏體顯微組織，通過(guò)快速冷卻可以使Ti-6Al-4V合金中柱狀β晶粒中β相在冷卻過(guò)程中轉(zhuǎn)變形成亞穩(wěn)態(tài)馬氏體α′組織，從而形成α′/β界面結(jié)構(gòu)。片層Ti-6Al-4V合金中幾種界面結(jié)構(gòu)的差異必然影響其變形行為，許多學(xué)者對(duì)這兩種新型的界面結(jié)構(gòu)對(duì)片層Ti-6Al-4V合金的強(qiáng)塑性的影響展開(kāi)了研究，以期建立界面結(jié)構(gòu)-性能之間的聯(lián)系。

2.2 α/界面層/β界面結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)塑性的影響

Tan等[35]通過(guò)電子束激光熔化技術(shù)制備了具有α/界面層/β界面結(jié)構(gòu)的Ti-6Al-4V合金，在TEM中觀察到α/界面層/β界面結(jié)構(gòu)，如圖11所示。界面層形成的原因主要是冷速過(guò)快導(dǎo)致V元素不能有效擴(kuò)散而富集在α/β界面處，從而促使α/β界面處產(chǎn)生FCC相。如圖12a）和圖12b）所示，Zhao等[40]分別通過(guò)CO2激光熔覆技術(shù)制備具有α/β界面結(jié)構(gòu)和二極管激光熔覆技術(shù)制備含α/界面層/β界面結(jié)構(gòu)的Ti-6Al-4V合金，進(jìn)一步研究這種α/界面層/β界面結(jié)構(gòu)對(duì)Ti-6Al-4V合金強(qiáng)塑性的影響。拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：含α/界面層/β界面結(jié)構(gòu)比含α/β界面結(jié)構(gòu)的Ti-6Al-4V合金具有更高的屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度和延伸率，如圖12c）所示。這種性能的提高是由于變形過(guò)程中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的不同所導(dǎo)致的[40]。如圖13所示，對(duì)于α/界面層/β界面結(jié)構(gòu)Ti-6Al-4V合金試樣，拉伸變形量為2.5%時(shí)，位錯(cuò)線在α片層平行分布，無(wú)法通過(guò)界面層進(jìn)行位錯(cuò)滑移傳遞;拉伸變形量為6.0%時(shí)，α片層中位錯(cuò)數(shù)量增加，更多的滑移系統(tǒng)被激活，位錯(cuò)線從平直變?yōu)榍?，大部分位錯(cuò)在α/界面層界面處塞積;拉伸變形量為8.5%時(shí)，在界面層中出現(xiàn)形變孿晶，界面層發(fā)生孿生變形。而具有傳統(tǒng)α/β界面的Ti-6Al-4V合金在拉伸變形量較小為2.0%時(shí)，位錯(cuò)能夠穿過(guò)α/β界面進(jìn)行滑移傳遞;拉伸變形量較大為7.0%的時(shí)候，α/β界面處存在位錯(cuò)塞積，沒(méi)有出現(xiàn)形變孿晶，塑性變形主要以位錯(cuò)滑移為主，如圖14所示。α/界面層/β界面結(jié)構(gòu)的Ti-6Al-4V合金變形方式主要由α相主導(dǎo)，最終表明α/界面層/β界面對(duì)α相中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)具有更強(qiáng)的阻礙作用，界面層中形變孿晶的出現(xiàn)證明界面層具有變形能力可以協(xié)調(diào)合金的塑性變形。傳統(tǒng)α/β界面結(jié)構(gòu)的Ti-6Al-4V合金通常在高應(yīng)變下才會(huì)出現(xiàn)形變孿晶，而具有α/界面層/β界面結(jié)構(gòu)的Ti-6Al-4V合金相比具有α/β界面結(jié)構(gòu)的Ti-6Al-4V合金能夠在相對(duì)較低應(yīng)變下誘發(fā)形變孿晶進(jìn)行孿生變形，這些都有利于材料強(qiáng)塑性的提高[40]。

2.3 α′/β界面結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)塑性的影響

由于選擇性激光熔化制備的Ti-6Al-4V合金中微觀組織都形成了亞穩(wěn)態(tài)馬氏體α′組織，如圖15所示，選擇性激光熔化不同工藝參數(shù)所制備S1—S10試樣，其力學(xué)性能都呈現(xiàn)“強(qiáng)度高、塑性差”的特點(diǎn)[41]。研究學(xué)者普遍認(rèn)為此力學(xué)特點(diǎn)與α′相的脆性相關(guān)，但對(duì)其獨(dú)特的α′/β界面結(jié)構(gòu)和變形行為對(duì)材料強(qiáng)塑性的影響機(jī)制尚未知曉。首先，α′/β界面取向仍然遵循Burgers取向;其次，Ti-6Al-4V合金中馬氏體通常是片層狀或者針狀，由于其內(nèi)部具有高密度位錯(cuò)、孿晶等亞結(jié)構(gòu)，合金具有較高的屈服強(qiáng)度[42]。Zhang等[43]通過(guò)同步輻射研究選擇性激光熔化制備的Ti-6Al-4V合金力學(xué)性能的微觀機(jī)制。通過(guò)對(duì)選擇性激光熔化制備的Ti-6Al-4V合金樣品進(jìn)行不同熱處理，分別在730 ℃和900 ℃真空加熱2 h進(jìn)行爐冷，得到具有α′+α+β結(jié)構(gòu)（HT-730 ℃）和α+β結(jié)構(gòu)（HT-900 ℃）的樣品。原位拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖16和表1）顯示： HT-900 ℃樣品比HT-730℃樣品具有更好的延展性。圖17為不同應(yīng)變下α相、α′相和β相中平均應(yīng)力的變化，HT-730℃樣品中β相和α′相中存在的平均應(yīng)力相差很大，而HT-900℃樣品β相和α相中存在的平均應(yīng)力幾乎接近[43]。Zafari等[33]對(duì)選擇性激光熔化制備的全α′馬氏體和α′+β結(jié)構(gòu)Ti-6Al-4V合金樣品進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)全α′馬氏體結(jié)構(gòu)的Ti-6Al-4V合金具有高屈服強(qiáng)度和延展性，而α′+β結(jié)構(gòu)的Ti-6Al-4V合金雖然具有高屈服強(qiáng)度，但是延展性差，如圖18所示。這些結(jié)果表明在α′+β結(jié)構(gòu)Ti-6Al-4V合金發(fā)生塑性變形時(shí)，由于α′和β兩相的晶體結(jié)構(gòu)和變形能力均不同，導(dǎo)致兩相在變形過(guò)程中應(yīng)力分布不均勻，從而促使兩相界面處應(yīng)力集中;α′/β界面處的應(yīng)力集中會(huì)使得裂紋優(yōu)先在界面處形核并擴(kuò)展，最終降低Ti-6Al-4V合金的塑性[33， 43]。

3 總結(jié)與展望

本文綜述了具有α/β界面、α/界面層/β界面及α′/β界面的片層Ti-6Al-4V合金在變形過(guò)程中不同界面結(jié)構(gòu)對(duì)合金變形行為及強(qiáng)塑性的影響機(jī)理。在雙相鈦合金中主要的塑性變形方式為位錯(cuò)滑移和孿生，本文重點(diǎn)論述片層Ti-6Al-4V合金中α/β界面與位錯(cuò)滑移、孿生變形的相互作用機(jī)制。目前對(duì)于α/界面層/β界面和α′/β界面的研究主要集中于對(duì)材料強(qiáng)塑性的影響，對(duì)片層Ti-6Al-4V合金原子尺度α/界面層/β界面和α′/β界面結(jié)構(gòu)與變形行為的相互作用機(jī)制的認(rèn)識(shí)比較匱乏，由于α/界面層/β界面和α′/β界面具有不同于傳統(tǒng)α/β界面的原子尺度界面結(jié)構(gòu)，這些不同的界面必然對(duì)位錯(cuò)滑移、孿晶形核及擴(kuò)展等微觀塑性變形產(chǎn)生新影響，微觀塑性變形行為的變化最終會(huì)改變Ti-6Al-4V合金的力學(xué)性能。通過(guò)綜述片層Ti-6Al-4V合金中這3種不同界面對(duì)變形行為及力學(xué)性能的影響，為建立片層Ti-6Al-4V合金原子尺度界面結(jié)構(gòu)與強(qiáng)塑性之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及揭示提高強(qiáng)塑性的原子尺度界面結(jié)構(gòu)特征提供理論基礎(chǔ)，為探索通過(guò)界面工程提高材料使役性能提供思路。

已有的研究結(jié)果表明，通過(guò)界面工程對(duì)片層Ti-6Al-4V合金的界面尤其是原子尺度界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)控，可以有效地改變和增強(qiáng)片層Ti-6Al-4V合金的單一性能。未來(lái)的挑戰(zhàn)在于利用先進(jìn)的增材制造技術(shù)和其他構(gòu)筑技術(shù)，通過(guò)界面工程調(diào)整片層Ti-6Al-4V合金的界面結(jié)構(gòu)及界面兩側(cè)各相的組織與成分，使得界面在能夠阻礙缺陷運(yùn)動(dòng)提高合金強(qiáng)度的同時(shí)，也可以促進(jìn)缺陷的產(chǎn)生并提供缺陷運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)所來(lái)提高合金的塑性，從而實(shí)現(xiàn)片層Ti-6Al-4V合金強(qiáng)度和塑性的同時(shí)提升。最終將界面工程方法應(yīng)用于制備具有等軸或雙態(tài)組織的雙相鈦合金中，使得雙相鈦合金的綜合力學(xué)性能更上一個(gè)臺(tái)階。

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