随着新一代航空航天飞行器性能的不断提高，对轻质耐高温材料的需求日益迫切。TiAl合金因其具有低密度（仅为镍基高温合金的一半）、高比强、耐烧蚀、良好的高温力学性能及优异的抗氧化性能，是650-850℃服役温度区间内重要的候选材料，可用于制备航空发动机叶片、航天飞行器蒙皮、舵翼等关键耐高温部件。但是，TiAl合金室温塑性差、热加工窗口窄，严重制约了工程化应用。因此，如何提高TiAl合金的室温塑性并拓宽其热加工窗口一直是国内外研究的难点和热点。
近日，实验室李金山教授团队以经典钛铝合金Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B为研究对象，提出了三相三态（T-T）和三相双态（T-D）两种新型显微结构，与片层组织相比，这两种组织分别可将室温强度提高~180MPa和130MPa，并展现出2倍于片层组织的室温塑性。另外， T-T和T-D结构还同时极大地降低了材料的再结晶温度，使其在800℃下分别展现出67%和79%的塑性，从而大大拓宽了钛铝合金的热加工窗口，有望将等温锻造或等温轧制温度从1200℃降低至800℃。文章指出T-T和T-D两种新型显微结构的实现主要依靠双重热处理过程中触发的胞状反应，可推广应用于其他TiAl合金体系，为提高钛铝合金的室温强塑性以及拓宽其热加工窗口提供了新途径。
文章提出的组织调控方法简单，性能提升显著，具有重要的工程应用前景。
相关研究成果以“Evading the strength-ductility trade-off at room temperature and achieving ultrahigh plasticity at 800℃ in a TiAl alloy”为题发表在金属领域国际顶级期刊Acta Materialia (DOI: 10.1016/j.actamat.2021.117585)。该论文的通讯作者为凝固技术国家重点实验室唐斌教授，王毅副教授，第一作者为博士生郑国明。该工作获得国家自然科学基金( 51771150)和航空科学基金(201936053001)的大力资助和支持, 同时感谢西北工业大学分析测试中心提供的设备支持。
图文导读
图1 (a) 全片层组织；(b) T-T结构；(c) T-D结构；(d) 片层组织的取向图；(e) T-T结构的取向图；(f) T-D结构的取向图；(g) 片层结构γ和α2相的极图；(h) 片层组织，类珠光体组织γ、α2和β0相的极图；(i)取向图中不同颜色对应的欧拉角；(j) 片层组织，T-T和T-D结构中大角晶界统计。
图2 片层组织、T-T和T-D结构在室温和800 ℃时的拉伸性能；(a) 室温时三种组织的拉伸真应变-真应力曲线和加工硬化速率曲线;(b) 800℃时三种组织的拉伸真应变-真应力曲线;(c) T-T和T-D结构的抗拉强度、塑性与国内外已报道TNM钛铝合金拉伸性能对比;(d) 800℃时三种组织的力学性能比较。
图3 室温变形时片层组织和类珠光体组织的变形机制 (a) γ片层组织通过位错和层错变形，且都在α2/γ界面处聚集；(b、c) A区域的透射高分辨图与傅里叶转变图；(d) T-T结构中类珠光体变形时有位错缠结并形成高密度变形孪晶，孪晶之间相互交叉，大量几何必须位错聚集在片层和类珠光体组织之间的界面上；(e)变形的类珠光体组织中形成高密度孪晶，孪晶之间相互交叉；(f、g) B区的高分辨透射图与傅里叶转变图。
图4 800℃变形时片层和珠光体组织变形机制。(a)、(b)分别为片层组织变形后的透射明场像和暗场像，表明其塑性变形主要为位错滑移和孪晶。(a)图中的选区电子衍射和(b)图的高分辨进一步证实了位错缠结和纳米孪晶的形成;(c)为类珠光体组织变形后的透射明场像;(d)A区域放大图，表明在800℃拉伸时出现了动态回复和再结晶。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117585
文案：唐斌
审核：刘伟
责编：王俊杰
