随着航空航天技术的快速发展，轻质、高强度和高韧性的结构材料已成为先进飞机的基本要求。高强度高韧性钛合金（HS-TAs）已成为材料科学研究的重点[1]、[2]、[3]。根据航空航天性能要求，结合现有成熟合金的对比以及强度-韧性关系的综合研究，研究者普遍认为同时满足以下条件的钛合金可定义为HS-TAs：抗拉强度（UTS）≥1100MPa、断裂韧性≥55MPa·m1/2、伸长率（EL）≥6%。这类合金通常是α + β、近β或亚稳β合金，由多种β稳定元素组成，代表性例子包括Ti-1023、Ti-15-3、BT22、Ti-5553、Ti-55531和TC21。这些优异的性能组合使它们成为传统高强度钢的理想替代品，能够在保持同等承载能力的同时减轻结构重量，并为轻量化设备的设计和性能提升提供材料支持。HS-TAs的力学性能主要受化学成分和多尺度微观组织的影响[5]。热变形和热处理是控制微观组织的主要手段。通过不同的热变形和热处理方法组合，钛合金可以形成四种典型的微观组织：等轴、双峰（BM）、篮状编织（BW）和层状（LM）。等轴微观组织的特点是残余β基体中均匀分布的等轴初级α相，含量超过50%，仅存在于α型钛合金中；BM微观组织由初级等轴α相（约10%-50%）和转化后的β结构（βt）组成，具有出色的综合力学性能，主要用于需要平衡性能的关键承重飞机发动机部件（如压气盘）和可靠性要求高的航空航天结构部件（如起落架）；BW微观组织的特点是α相在β基体中呈交织层状分布，具有高断裂韧性和抗疲劳裂纹能力，适用于承受复杂交变载荷并要求耐损伤的大型飞机结构部件（如机身框架和翼梁）；LM微观组织具有粗大的连续板状α相，具有优异的蠕变抗力和热稳定性，广泛用于工作温度在300°C–400°C的高温飞机发动机部件（如涡轮盘和叶片）。
TC21是一种α + β型钛合金，具有高强度、高韧性和耐损伤性。由于其出色的综合力学性能，它被广泛用于航空航天领域，是制造关键承重结构部件的理想材料[6]、[7]。除了α型钛合金特有的等轴微观组织外，热机械加工和后续热处理可以有效控制TC21中α相和β相的形态、尺寸、分布和含量，从而实现BM、BW和LM等典型微观结构的制备[4]、[8]、[9]。这些微观组织在位错运动、裂纹起始和扩展等微观力学行为上存在显著差异，这些差异直接决定了力学性能，包括抗拉强度、塑性和断裂韧性。研究TC21的强化和增韧机制，并基于这些认识进行精确的微观组织控制，对于提高合金性能和推动工程应用至关重要。
关于TC21锻造的研究主要集中在锻造温度、变形量和变形速率上。李等人[10]研究了准β锻造对具有三峰微观结构的TC21力学性能的影响，发现降低锻造温度和时间可以增加等轴αeq相的含量，从而有效提高塑性；邓等人[11]确定54%的变形量能够使TC21钛合金锻件达到最佳的强度和塑性；王[12]和文[13]研究了退火温度对TC21层状微观组织力学性能的影响，发现随着退火温度的升高，α团簇（αC）、α板条（αL）和细小α片的尺寸和含量发生显著变化，认为力学性能是由多层次微观结构共同作用的结果；叶等人[14]研究了时效温度对TC21层状微观组织力学性能的影响，发现抗拉强度随时效温度升高而降低，而伸长率先增加后降低；戴等人[15]研究了固溶处理冷却速率对TC21冲击韧性的影响，并阐明了其增韧机制。尽管已有大量研究建立了TC21的特定工艺-微观组织-性能关系[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]，但大多数研究仅关注特定工艺参数下的特定微观组织。系统比较不同典型微观组织类型的综合力学性能差异，并深入分析其根本不同的强化和增韧机制的研究仍不够充分。这些研究对于理解TC21的强度和韧性至关重要，为设计适用于不同服役条件（如高耐损伤性或高塑性要求）的微观结构提供了直接的理论基础和指导。
因此，本研究通过不同的锻造和热处理工艺制备了三种具有不同微观结构（BM、BW和LM）的TC21钛合金锻件，并通过室温拉伸试验、断裂韧性试验和冲击韧性试验对其综合力学性能进行了评估。采用超深场（SDOF）显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、原位电子背散射衍射（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）和激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）等技术分析了样品的微观组织、断裂形态和裂纹扩展路径。本研究旨在系统比较TC21三种微观组织的力学性能，并揭示它们各自的强化和增韧机制。
