引言
具有典型（α+β）相的鈦合金表現出高比強度和良好的耐腐蝕性能，廣泛應用于航空航天領域中的壓氣機盤、葉片、鼓等結構件[1-3]。隨著工業化程度的提高，工程結構件的服役可靠性要求越來越高，這就要求材料性能需進一步優化。其中，沖擊韌性作為衡量材料抗裂紋擴展能力的關鍵指標，直接影響結構件的安全設計，成為當前研究的重點方向。鈦合金的沖擊韌性與界面微觀結構密切相關，如微裂紋易在初生α晶界處形核，裂紋擴展時在相界和晶界處偏轉可以提高裂紋擴展能量[4-5]。這些發現揭示了界面工程對鈦合金性能優化的巨大潛力。
電磁沖擊處理是利用電磁脈沖能量，如電脈沖、磁脈沖（脈沖磁場）或激光脈沖來改變固體合金組織和性能的一種加工方法，已得到廣泛研究[6-7]。作者在前期的研究工作中發現，低能電磁沖擊處理引發的電磁非熱效應可以與一定的焦耳熱效應發生耦合作用[8]，可以在合金表面溫度遠低于其熔點的情況下選擇性地促進界面微結構演變[9-11]，從而影響合金沖擊韌性。鍛態網籃組織TC11鈦合金具有相對不穩定的高能相界，推測在進行低能電磁沖擊處理時，這些高能相界容易被電磁沖擊能量激發并發生演變，但是目前未見這方面的研究報道。作者采用低能電磁沖擊技術對鍛態網籃組織TC11鈦合金進行處理，研究了在合金表面溫度不超過200℃條件下合金界面微觀結構以及沖擊韌性的演變。
1、試樣制備與試驗方法
試驗材料為西北有色金屬研究院提供的Ti6.5Al-1.5Zr-3.5Mo-0.3Si（TC11）棒狀鈦合金，實測化學成分（質量分數/％）為6.1Al，1.4Zr，3.0Mo，0.3Si，余Ti，熱處理狀態為鍛態。通過線切割方法將棒狀鈦合金加工成尺寸為5mm×10mm×55mm的標準沖擊試樣，對試樣端面進行打磨后，采用自制的電磁沖擊處理設備進行低能電磁沖擊處理。低能電磁沖擊處理的占空比為9.09，頻率為50Hz，峰值電流密度為57.9A·mm?2，沖擊時間分別為0.44，0.88，1.32，1.76s。對比試樣為未經過低能電磁沖擊處理的合金（沖擊時間為0）。在試驗過程中采用Fotric-226型紅外熱像儀實時測定試樣表面溫度，整個沖擊過程中試樣表面最高溫度均低于200℃。
在處理后的試驗合金中部截取金相試樣，經過打磨、拋光，用體積比1.5∶4∶100的HF+HNO3+H2O溶液腐蝕后，采用光學顯微鏡（OM）觀察截面顯微組織。使用Image-pro6.0軟件對相組織占比進行統計。在處理后的試驗合金中部截取試樣，經機械研磨至厚度為100μm后進行離子減薄，采用TaolF200S型透射電鏡（TEM）觀察微觀結構，采用掃描電鏡附帶的能譜儀（EDS）進行元素面掃描。按照GB/T229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，采用夏比沖擊試驗機進行無缺口夏比沖擊試驗，試驗溫度為室溫，進行3次平行試驗，取平均值。采用JSM-IT800型掃描電鏡（SEM）觀察沖擊斷口形貌。
2、試驗結果與討論
2.1微觀結構
由圖1可以看出：未進行低能電磁沖擊處理的試驗合金為典型的雙相（α+β）合金，組織呈網籃狀，由白色層狀α相和黑色β相構成，原始β晶界碎化；經低能電磁沖擊處理后，網籃狀初始組織結構未發生明顯變化。相比于未進行低能電磁沖擊處理的合金，經0.44s低能電磁沖擊后試驗合金中α片層組織致密程度降低，局部區域球化而形成鏈狀等軸組織，推測其為原始β晶界區域[12]；0.88，1.32s低能電磁沖擊后試驗合金的α片層組織致密程度提高，β相面積占比增大；1.76s沖擊時間下α層狀組織的致密程度最高，與1.32s沖擊時間下相比β相未見明顯增多。當沖擊時間為0，0.44，0.88，1.32，1.76s時，試驗合金中α相占比分別約為73.1％，70.9％，69.3％，69.4％，73.9％，可知隨著低能電磁沖擊時間的延長，α相占比先減小后增大，相應地β相占比先增大后減小。
由圖2可以看出：未進行低能電磁沖擊合金的α/β相界面呈明顯的規則線形，鉬元素分布界面平直；低能電磁沖擊0.44s后α/β相界面區域存在一定寬度的中間相層，部分（區域1）為β相層，部分（區域2）為α″相層，鉬元素分布界面波折?？芍湍茈姶艣_擊促使合金元素發生跨界面遷移，相界面處發生相變，從而形成中間相層。
2.2沖擊韌性
由圖3可以看出：隨著低能電磁沖擊時間的延長，試驗合金的沖擊吸收能量先增大后減??；當低能電磁沖擊時間為0.44s時，沖擊吸收能量最大，與未沖擊合金相比提高約14.1％；當低能電磁沖擊時間長于0.88s時，沖擊吸收能量低于未沖擊合金。試驗合金組織中的α相為密排六方結構，變形兼容性較差，有利于強度的提高[13]，而β相為體心立方結構，變形兼容性較好，對于塑性、韌性的提高更有利，能夠緩解裂紋萌生和抑制裂紋擴展[14]。隨著低能電磁沖擊過程的進行，試驗合金中的β相占比先增大后減小，因此沖擊吸收能量先增大后減小。低能電磁沖擊0.44s后，α/β相界面處發生一定程度的相變，導致整體β相含量略微升高，從而有利于強度與塑性的提高[13-18]。同時，低能電磁沖擊0.44s后，試驗合金α/β相界面處出現的鏈狀等軸組織有利于合金沖擊韌性的提升[16-17]。因此，0.44s低能電磁沖擊試驗合金的沖擊韌性最好。
2.3沖擊斷口形貌
由圖4可以看出：低能電磁沖擊前后試驗合金的沖擊斷口均由韌窩和解理面構成；與未沖擊試驗合金相比，低能電磁沖擊試驗合金的韌窩更淺更密，解理面面積占比更小，說明合金的韌性更好。綜上，合適的低能電磁沖擊處理（沖擊時間0.44s）可使TC11鈦合金β相含量有一定程度的增加，α/β相界面處產生中間相層以及局部球化，這種組織緩解沖擊裂紋萌生及抵抗裂紋擴展的能力更強，因此沖擊斷口的解理面區域更少，韌窩分布更密集，沖擊韌性更好。
3、結論
（1）低能電磁沖擊（沖擊過程中合金表面最高溫度低于200℃）促使TC11鈦合金發生一定程度的相變，在低能電磁沖擊過程中，β相占比先增大后減小，α相致密程度先降低后升高。
（2）隨著低能電磁沖擊時間的延長，試驗合金的沖擊吸收能量先增大后減小，當沖擊時間超過0.88s后，沖擊吸收能量低于未沖擊試驗合金。當低能電磁沖擊時間為0.44s時，沖擊吸收能量最大，為170.5J，相比于未沖擊試驗合金提升約14.1％；沖擊韌性的提高與β相含量的增加、α/β相界面處產生的中間相層和局部球化有關。
參考文獻：
[1]闞延勇，蘇方正，徐曦榮，等. 工業用鈦及鈦合金材料的應用現狀 [J]. 上?；ぃ?023，48（6）：58-61.
KAN Y Y，SU F Z，XU X R，et al. Application status of industrial titanium and titanium alloy materials[J].Shanghai Chemical Industry，2023，48（6）：58-61.
[2]楊健. 鈦合金在飛機上的應用 [J]. 航空制造技術，2006，49（11）：41-43.
YANG J. Application of titanium alloy in aircraft[J].Aeronautical Manufacturing Technology， 2006， 49（11）：41-43.
[3]ZHU Y Y，TIAN X J，LI J，et al. Microstructure evolution and layer bands of laser melting deposition Ti-6.5Al3.5Mo-1.5Zr-0.3Si titanium alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds，2014，616：468-474.
[4]HUANG S X，ZHAO Q Y，ZHAO Y Q，et al. Toughening effects of Mo and Nb addition on impact toughness and crack resistance of titanium alloys[J]. Journal of Materials Science & Technology，2021，79：147-164.
[5]WEN X， WAN M P， HUANG C W， et al. Effect of microstructure on tensile properties，impact toughness and fracture toughness of TC21 alloy[J]. Materials & Design，2019，180：107898.
[6]ZHOU J，LIU C，WU Y Y，et al. Evolution mechanism of grain orientation and texture distribution of Ti-6.5Al3.5Mo-1.5Zr-0.3Si alloy under electroshocking treatment[J]. Journal of Materials Research and Technology，2023，25：5693-5704.
[7]SONG Y L， WANG Z Q， YU Y Q， et al. Fatigue life improvement of TC11 titanium alloy by novel electroshock treatment[J]. Materials & Design， 2022，221：110902.
[8]SUN Q，HUA L. Micro texture of titanium alloys excited nonlinearly by electromagnetic pulse[J]. Scripta Materialia，2021，200：113828.
[9]SUN Q， YU Y M， WANG F. A novel electromagnetic shock treatment to selectively modify grain boundary and improve the corrosion resistance of aluminium alloy[J].Materials Letters，2023，334：133703.
[9]SUN Q， WANG H J， YU S， et al. Reducing stress corrosion cracking susceptibility of high-strength aluminum alloy and its fastener by a novelelectromagnetic shocking treatment[J]. Journal of Alloys and Compounds，2023，960：170917.
[10]LI Y F， WANG F L， SUN Q， et al. Study on the microstructure and impact toughness of TC11 titanium alloy by a novel electromagnetic shocking treatment[J].Materials Science and Engineering：A，2023，876：145149.
[11]LI Y F， WANG F L， SUN Q， et al. Study on the microstructure and impact toughness of TC11 titanium alloy by a novel electromagnetic shocking treatment[J].Materials Science and Engineering：A，2023，876：145149.
[12]DOHERTY R D，HUGHES D A，HUMPHREYS F J， et al. Current issues in recrystallization： A review[J].Materials Science and Engineering：A，1997，238（2）：219-274.
[13]ZHANG X， ZHANG J J， YAO Y K， et al. Anomalous enhancing effects of electric pulse treatment on strength and ductility of TC17 linear friction welding joints[J].Journal of Materials Science & Technology， 2024， 203：155-166.
[14] LEI L，ZHAO Y Q，ZHAO Q Y，et al. Impact toughness and deformation modes of Ti-6Al-4V alloy with different microstructures[J]. Materials Science and Engineering：A，2021，801：140411.
[15]ZHOU Y C，XU X F，ZHAO Y，et al. Introducing ω and O' nanodomains in Ti-6Al-4V： The mechanism of accelerating α→β transformation kinetics viaelectropulsing[J]. Journal of Materials Science &Technology，2023，162：109-117.
[16]DAVARI N， ROSTAMI A， ABBASI S M. Effects of annealing temperature and quenching medium on microstructure， mechanical properties as well as fatigue behavior of Ti-6Al-4V alloy[J]. Materials Science and Engineering：A，2017，683：1-8.
[17]ZHANG S Y， LI J S， KOU H C， et al. Microstructure evolution of isothermal holding treatment during melt solidification of Ti-6Al-4V alloy[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2015，25（4）：1091-1096.
[18]張欣雨，毛小南，王可，等. 典型 α+β 鈦合金組織對靜態和動態性能的影響 [J]. 材料導報，2021，35（1）：1162-1167.
ZHANG X Y，MAO X N，WANG K，et al. The influence of microstructure on the static and dynamic properties in typical α+β titanium alloy[J]. Materials Reports， 2021，35（1）：1162-1167.
（注，原文標題：低能電磁沖擊對TC11鈦合金顯微組織和沖擊韌性的影響）
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