纳米TiO2 诱导Ni-Co基高温合金γ'相析出及其力学性能强化机制研究

针对高温服役下γ'相粗化导致镍基合金性能衰减的难题，本研究通过铸造法将纳米TiO2 均匀分散至Ni-Co合金基体，发现其可促进γ'相(Ni3 (Al,Ti))弥散析出并抑制生长，同时原位生成Al2 TiO5 纳米颗粒强化界面。该研究为开发兼具高强度与塑性的镍基复合材料提供了新策略。

　　

随着航空发动机和燃气轮机对材料耐高温性能要求的不断提升，镍钴基高温合金因其优异的抗蠕变、抗疲劳和抗氧化特性成为关键材料。这类合金的高温强度主要依赖于γ'相(Ni₃
(Al,Ti))的强化作用，但长期高温环境下γ'相的粗化或溶解会导致材料性能显著下降。传统通过添加高熔点固溶元素的方法易引发拓扑密堆(TCP)相析出，反而增加脆性。如何在不牺牲塑性的前提下提升合金高温强度，成为材料领域亟待解决的难题。

江苏维尔利先进材料技术有限公司等机构的研究人员创新性地采用纳米TiO₂
作为增强相，通过铸造工艺将其引入Ni-Co合金基体。研究发现，纳米TiO₂
不仅作为异质形核点细化晶粒、消除枝晶偏析，更能促进γ'相弥散析出并抑制其粗化。透射电镜分析揭示，纳米TiO₂
与基体中的Al发生原位反应，生成尺寸均匀的Al₂
TiO₅
纳米颗粒，这些颗粒通过阻碍位错运动显著提升合金强度。该研究发表于《Journal of Alloys and Compounds》，为开发新一代高性能高温合金提供了理论依据和技术路径。

关键技术方法包括：1）通过旋转管式炉在800^o
C下煅烧制备纳米TiO₂
；2）采用电子背散射衍射(EBSD)分析晶粒尺寸分布；3）结合扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)表征γ'相形貌与纳米颗粒分布；4）力学性能测试评估拉伸强度与延伸率变化。

【Feedstock preparation】
通过20-30 nm Ti粉氧化制备纳米TiO₂
，采用球磨工艺实现其在合金基体的均匀分散。

【Effect of nano-TiO₂
addition on microstructure】
EBSD分析表明，纳米TiO₂
含量增加使柱状晶转变为等轴晶，平均晶粒尺寸减小47%。SEM显示γ'相体积分数提升32%，且分布更加均匀。

【Conclusions】
研究得出三项核心结论：1）纳米TiO₂
通过异质形核作用消除枝晶偏析，实现晶粒细化；2）其促进γ'相晶内析出并抑制粗化，TEM证实原位生成的Al₂
TiO₅
纳米颗粒与基体形成强界面结合；3）协同强化机制使合金抗拉强度提升28%的同时延伸率提高15%。

该研究突破传统固溶强化的局限性，通过纳米颗粒界面调控实现强度-塑性的协同提升。特别是发现纳米TiO₂
与基体的原位反应机制，为设计新型氧化物弥散强化(ODS)合金提供了重要参考。研究成果对延长航空发动机关键部件服役寿命具有重要工程价值。