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钛合金，特别是亚稳β钛合金，因其出色的比强度、低密度和优异的耐腐蚀性，作为航空航天、海洋工程和国防装备等高要求应用领域的高性能结构材料而备受关注。然而，大多数钛合金（包括一些先进的亚稳β钛合金）的屈服强度通常保持在1100 MPa以下，即使是优化设计的合金也很少超过1300 MPa。这种强度限制不仅阻碍了它们在极端环境下的性能，也阻碍了轻质材料在先进工程领域的更广泛应用。因此，为了满足先进装备领域对轻质、高强度材料的迫切需求，开发屈服强度超过1300 MPa的钛合金已成为当前材料研究的优先方向和前沿领域。

近年来的研究强调了多尺度微观结构控制和异质结构设计作为提高先进合金强度的有前景的策略。Wu等人提出了一种相选择性再结晶的新概念，并开发了一种软相完全再结晶并嵌入硬相骨架中的微观结构。通过充分利用两相的应变硬化能力，该设计实现了约35%的均匀延伸率，展现出优异的强塑性协同效应。这种设计策略为双相合金的微观结构优化提供了新途径。在钛合金中，α相作为硬相，由于其多尺度析出行为，在决定力学性能方面起着关键作用。通过精确控制多尺度α析出相——包括微米级初生α（αp）、亚微米级次生α（αs）板条、纳米级针状αs和αs纳米层片——可以显著增加相界面密度，有效阻碍位错运动，从而提高合金的整体力学性能。例如，Hao等人在Ti55531合金中开发了包含多尺度α相的异质结构，通过不同转变机制的协同激活，实现了1260 MPa的屈服强度。此外，层级α析出相、α/β异质界面和位错之间的强相互作用可以诱导显著的异质变形诱导强化。Hu等人在Ti-3.5Al-5Mo-4V合金中开发了一种层级微观结构，包含带状、亚微米椭圆形和纳米级α相，通过晶界强化实现了1257 MPa的屈服强度。尽管取得了这些成就，但实现超高强度仍然是一个相当大的挑战。

通过精确设计相边界特性来调控位错滑移阻力和连续性，已被越来越多地认为是强化先进钛合金的关键方法。纳米孪晶，特别是通过形成共格孪晶界，已被日益视为阻碍位错运动和增强强度的有效机制。在α和α′析出过程中，变体选择促进了α/α和α′/α′共格孪晶界的形成，这些孪晶界作为位错滑移的强障碍，从而实现显著的强化。例如，Zhang等人利用间隙原子与位错的相互作用，引入了αs/αs共格孪晶界和致密的α′孪晶纳米马氏体，从而在钛合金中实现了超高屈服强度。然而，间隙原子固溶强化面临实际限制：过量的氮会导致α′马氏体脆化，而氧可能导致严重脆化并促进不均匀的溶质分布。此外，亚稳α′相在热驱动力下倾向于分解为α和β相，这破坏了微观结构稳定性和力学性能。这些挑战凸显了对既能保证结构稳定性又能实现超高强度的实用微观结构设计策略的需求。

在此背景下，磁场辅助处理在微观结构控制方面展现出显著优势，特别是通过影响相变动力学来调控相变和稳定微观结构。钛合金作为顺磁性材料，其不同相之间具有磁化率差异，使得磁场能够有效促进亚稳相向稳定α相的转变。具体而言，磁场通过降低磁吉布斯自由能和减小α/β相之间的界面能，为β→α转变提供了额外的驱动力，从而加速了相变过程。在热处理过程中引入磁场不仅为相变提供活化能，还增强了原子扩散和相界迁移，从而促进了α相的形核和生长。

更重要的是，磁场可以激发与位错和障碍物相关的电子对，驱动它们从基态跃迁到激发态，从而促进位错脱钉和滑移激活。此外，磁场可以降低位错滑移所需的临界分切应力，从而提高位错迁移率和增殖。其他能量辅助工艺的研究也支持外场对位错行为的直接影响。例如，Zhang等人首次报道了电子力诱导的位错湮灭和再生，从而促进了位错运动。类似地，在超声振动辅助成形中，Shao等人开发了一种新的耦合模型，展示了非均匀声能分布如何诱导局部材料软化和驱动位错密度演化。这些发现为理解磁塑效应提供了更广泛的背景。磁场可以通过改变电子自旋态和调节位错与障碍物之间的相互作用能来调控位错运动。由此产生的位错密度增加为析出相提供了额外的形核位点，从而加速了析出动力学。作为关键的强化相，在磁场作用下α相析出的增强，加上对位错活性的协同促进，共同提高了合金的力学性能。例如，在Ti64合金中，电磁场处理激活了锥面<c+a>位错并增强了交滑移，导致塑性显著提高。在经3 T脉冲磁场处理的Ti-Al基合金中，延伸率和抗拉强度分别提高了10.7%和23.3%。这些结果突显了磁场在优化和稳定微观结构以及增强力学性能方面的巨大潜力。

在本研究中，我们引入了一种热磁耦合方法，用于亚稳β型Ti-6554合金的协同微观结构调控。通过在时效过程中施加外磁场，我们旨在获得包含微米级α、连续晶界α、纳米级αs析出相以及孪晶αs纳米层片的层级微观结构。这种多尺度架构促进了α/β界面、共格αs/αs孪晶界和位错之间的强相互作用，从而增强了力学性能。磁场加速了β→α转变，促进了纳米级αs析出，并诱导了位错增殖。结果，Ti-6554合金实现了约1424.7 MPa的超高屈服强度。这项工作突显了热磁处理在钛合金中设计层级α相结构的有效性，为开发高性能钛合金提供了一种可行的微观结构策略。

中文摘要：

由于难以精确调控钛合金的层级微观结构，实现其超高强度仍然是一项挑战。本文引入了一种热磁耦合方法，能够对Ti-6554合金中的多尺度结构特征进行协同调控。在350 °C至520 °C时效6小时的过程中施加了0.6 T的磁场。系统研究了时效系列中的微观结构演变和力学性能。在350 °C时，仅形成了微米级α板条。在520 °C时，次生α（αs）发生了显著的粗化。引人注目的是，在435 °C时效产生了包含微米级α相、连续晶界α相、致密αs纳米析出相以及孪晶αs纳米层片的异质结构。孪晶αs纳米层片的形成归因于热磁耦合处理，该处理显著加速了β→α相变动力学。同时，它还促进了αs变体在碰撞和生长过程中界面处的原子重排。结果，相邻αs变体的(0001)面之间形成了约122°的变体间夹角，最终形成了低能的{10 1}α共格孪晶界。所获得的合金表现出约1424.7 MPa的超高屈服强度，分别比350 °C和520 °C时效的对比样品提高了约46.2%和29.8%。这种优异的力学性能源于多尺度、高密度的α/β界面和共格αs/αs孪晶界对位错运动的强阻碍作用。这些发现表明，磁场辅助时效为设计钛合金中的层级结构以实现优异的强塑性协同提供了一条有力的途径。