热等静压制备TiB/(TA15-Si)复合材料的高温蠕变行为与微观结构特征研究

本研究针对航空航天领域对高温结构材料的迫切需求，探讨了热等静压（HIP）制备的3.5?vol% TiB/(Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V-0.3Si)复合材料的蠕变性能。通过650-750℃多应力水平蠕变测试，揭示了应力指数（4.79-5.11）与阈值应力（8.5-31.5?MPa）的温度依赖性，发现TiB晶须骨架抑制基体软化、硅化物钉扎位错的强化机制，为新型钛基复合材料设计提供理论依据。

　　

在航空航天发动机热端部件领域，传统钛合金面临高温下蠕变抗力不足的严峻挑战。当服役温度超过600℃时，材料会发生显著的蠕变变形，导致部件尺寸失稳甚至断裂。虽然通过添加增强相（如TiB晶须）可提升强度，但高温下增强体/基体界面稳定性、第二相演变规律等关键科学问题尚未阐明，严重制约着新型钛基复合材料的设计开发。

中国航发北京航空材料研究院的研究团队在《Materials Characterization》发表论文，系统研究了热等静压（HIP）制备的3.5?vol% TiB/(TA15-Si)复合材料在650-750℃的蠕变行为。通过高温蠕变测试结合微观结构表征，首次量化了该材料的阈值应力温度敏感性，揭示了TiB晶须骨架强化与硅化物动态析出的协同作用机制，为开发600℃以上长寿命钛基复合材料提供了重要理论支撑。

研究采用三项关键技术：1）热等静压（HIP）原位合成TiB晶须增强TA15-Si基复合材料；2）650/700/750℃多应力水平阶梯蠕变测试；3）结合SEM/EBSD分析蠕变前后微观结构演变。

蠕变应力响应特性
通过Arrhenius方程拟合获得650℃、700℃和750℃下的应力指数分别为4.79、4.96和5.11，对应阈值应力为31.5?MPa、16.3?MPa和8.5?MPa，表明位错攀移（dislocation climb）是主导蠕变机制，且温度升高显著降低变形抗力。

微观结构演变特征
蠕变空洞优先在钛基体与TiB团聚区（PPBs）形成，最终断裂沿PPBs发生。硅化物在高温下粗化，但亚微米级硅化物仍能有效钉扎位错。EBSD分析显示TiB晶须网络抑制基体晶界滑移，位错堆积导致局部TiB断裂的现象被首次捕获。

讨论与结论
研究建立了"晶须骨架-硅化物-位错"多尺度协同强化模型：1）TiB三维网络阻碍基体软化变形；2）动态析出的硅化物（silicides）钉扎位错运动；3）阈值应力随温度升高呈指数衰减，这与硅化物粗化动力学直接相关。该成果不仅阐明了HIP制备钛基复合材料的蠕变失效机理，更通过量化工艺-结构-性能关系，为下一代航空发动机叶片材料设计提供了关键参数数据库。值得注意的是，研究发现的PPBs弱化效应提示未来需优化HIP工艺消除TiB团聚，而硅化物尺寸控制将成为进一步提升服役温度的关键。