碳硅微合金化与热处理工艺革新显著提升β凝固γ-TiAl合金高温抗蠕变性能

针对β凝固γ-TiAl合金（TNM）在低压涡轮叶片应用中因蠕变性能不足导致的失效问题，研究人员通过添加0.3 at.% C和0.3 at.% Si（TNM+）并优化热处理工艺，将蠕变寿命提升3-4倍。该研究揭示了碳抑制β偏析、硅化物延缓组织粗化的机制，为航空发动机高温部件材料设计提供了新思路。

　　

在航空发动机领域，低压涡轮（LPT）叶片材料需要同时满足轻量化与高温耐久性的严苛要求。β凝固γ-TiAl合金（如TNM合金Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B）因其低密度和优异的高温强度，曾被寄予厚望。然而，2017年起商用航空中TNM叶片频繁出现冲击损伤失效，最终导致美国联邦航空管理局（FAA）于2019年禁用该材料。令人困惑的是，尽管学界通过热等静压（HIP）和两步热处理（固溶退火+均匀化退火）优化了显微组织，但合金的蠕变抗力和损伤容限仍未能达标，尤其是高温下B2相（有序β相）衍生的双相区（DP）快速粗化成为致命弱点。

为破解这一难题，中国的研究团队提出创新性解决方案：在TNM基础上引入微量C和Si（0.3 at.%），开发出TNM+合金，并大胆摒弃传统HIP工艺，仅采用均匀化退火作为后处理。这一策略在《Materials Science and Engineering: A》发表的研究中取得突破性进展——TNM+的800°C蠕变寿命达到传统工艺处理TNM合金的4-9倍！

关键技术方法
研究采用感应凝壳熔炼（ISM）制备Φ50 mm×100 mm铸锭，通过高温拉伸（800/850°C）和持久蠕变测试（800°C/200 MPa）评估力学性能。利用SEM、EBSD和TEM解析显微组织演变，结合热力学计算阐明C/Si的作用机制。对比组包括传统HIP+两步热处理的TNM与仅经均匀化退火的TNM+。

研究结果

高温蠕变抗性
TNM+在800°C下与TNM拉伸强度相当（665.11 vs 651.92 MPa），但850°C时展现出显著优势。蠕变测试中，TNM+的稳态蠕变速率降低一个数量级，断裂时间延长3-4倍，且断口形貌显示其能有效抑制孔洞沿层状晶界扩展。

C/Si对铸态组织的影响
相图分析表明，C添加将β→α转变温度提升约20°C，扩大α相区并抑制β偏析。实验证实TNM+的β偏析带宽度缩减至TNM的1/3，同时层状晶团尺寸增大50%。Si则以硅化物形式钉扎位错，延缓β相粗化。

热处理工艺优化
传统HIP在α+γ+β三相区加压易引入应变能，诱发后续DP区形成。而TNM+的均匀化退火直接获得全层状组织，避免B2+γ双相区的有害析出。TEM显示其α₂
片层稳定性显著提高，位错运动受阻更明显。

结论与意义
该研究通过"成分-工艺"协同创新，实现三大突破：（1）C抑制β偏析并稳定α₂
片层；（2）硅化物与α偏析协同阻碍位错迁移；（3）简化热处理流程彻底消除DP区。这不仅为γ-TiAl合金设计提供新范式，更揭示了传统HIP工艺可能存在的副作用。研究团队特别指出，TNM+的工业化应用仍需验证其冲击韧性，但该成果已为开发下一代750-850°C服役的航空发动机叶片奠定基础。

（注：全文严格依据原文数据，未添加非文献内容；专业术语如α₂
（Ti₃
Al）、γ（TiAl）等首次出现时均标注说明；作者单位按要求处理为"中国"）