轻质(Ti61 Al16 Cr10 Nb8 V5 )99.6 Si0.4 多主元合金的微观结构演变与强化机制：突破高温钛合金强度-塑性-轻量化协同瓶颈

为解决γ-TiAl合金室温脆性、Ti2 AlNb合金密度过高及高温强度不足等问题，研究人员开发了新型轻质(Ti61 Al16 Cr10 Nb8 V5 )99.6 Si0.4 多主元合金（MPEA）。该合金在600–700°C展现优异高温性能（700°C时强度570MPa/延伸率45%），通过BCC/B2→Ti3 Al+TiCr2 共析转变实现强化，密度仅4.82g/cm3 ，为航空航天高温部件提供新选择。

　　

在航空发动机叶片等高温应用场景中，传统钛合金正面临严峻挑战：γ-TiAl合金虽具有优异的高温强度，但其室温塑性近乎为零，加工成型困难；Ti₂
AlNb合金虽改善了室温塑性，但5.2–5.5g/cm³
的高密度和有限的高温强度制约了其进一步发展。如何突破"高强度-高塑性-轻量化"的不可能三角，成为钛合金领域亟待解决的科学难题。

针对这一挑战，中国科学院金属研究所的研究团队创新性地将多主元合金（MPEA）设计理念与传统钛合金相结合，开发出(Ti₆₁
Al₁₆
Cr₁₀
Nb₈
V₅
)_99.6
Si_0.4
（简称Ti61Si0.4）合金。该研究通过系统的微观结构表征和力学性能测试，揭示了其在600–700°C温度区间的相变规律和强化机制，相关成果发表在《Materials Science and Engineering: A》上。

研究采用真空非自耗电弧熔炼制备合金锭，通过热轧（980°C）和空冷获得初始组织。利用差示扫描量热法（DSC）确定相变温度，结合X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）分析微观结构演变。高温力学性能测试涵盖准静态拉伸和压缩实验（应变速率0.001–1/s），通过Arrhenius方程建立本构模型。

室温微观结构与力学性能
热轧态Ti61Si0.4合金呈现36μm等轴BCC/B2基体（体心立方/有序体心立方结构），弥散分布着100–500nm球形Ti₃
Al相和0.2–2μm棒状Ti₅
Si₃
相。这种多尺度第二相协同强化使合金室温拉伸强度达1280MPa，延伸率3.5%，密度仅4.82g/cm³
，较Ti₂
AlNb合金减轻7–10%。

高温性能与相变行为
在600°C、650°C和700°C下，合金分别表现出920MPa/6.7%、750MPa/16.3%和570MPa/45%的强塑性组合。微观分析发现：600°C时BCC/B2开始转变为Ti₃
Al相；650°C时触发BCC/B2→Ti₃
Al+TiCr₂
共析转变。位错绕过机制（dislocation bypass）是主要强化方式，而应变速率敏感性分析表明位错滑移机制转变是速率强化的主因。

高温变形本构模型
在600–650°C范围内，合金的变形行为符合Arrhenius方程，应力指数计算显示变形受位错攀移控制。这一发现为预测合金高温成形性能提供了理论依据。

该研究通过精准的Si微合金化（0.4at%），在保持BCC/B2基体良好塑性的同时，利用Ti₅
Si₃
相提升高温稳定性。其创新性体现在三方面：首先，将MPEA的固溶强化优势与传统钛合金相结合；其次，通过共析转变实现高温自强化；最后，4.82g/cm³
的密度显著优于现有高温钛合金。研究不仅为发展轻质高温结构材料提供了新思路，其揭示的"相变-位错交互作用"机制对多组元合金设计具有普适指导意义。

Yang-Yu He等研究者特别指出，该合金在700°C仍保持570MPa强度，比同温度下Ti₂
AlNb合金提高约15%，而45%的延伸率更远超γ-TiAl合金（通常<2%）。这种"高温不软化、变形不失稳"的特性，使其在发动机低压涡轮叶片等需承受复杂热机械载荷的部件中展现出独特优势。未来通过调控Ti₃
Al相形貌与分布，有望进一步优化强塑性匹配。