电子束熔炼与区域熔炼制备Nb-Ti-Al系合金的微观结构、相组成及抗氧化性能优化研究

针对高温环境下TiAl和NiAl基合金抗氧化性能不足的问题，研究人员通过电子束熔炼（EBM）和区域熔炼（ZM）技术制备了Nb-Ti-Al三元合金，系统分析了γ-AlTi+α2 -Ti3 Al双相结构的形成机制及1200℃氧化行为。研究发现Nb扩散形成的(Ti,Nb)O2 致密氧化层显著提升了材料高温抗氧化性，为航空发动机热端部件材料设计提供了新思路。

　　

在航空发动机和能源装备领域，高温环境下的材料性能退化始终是制约设备寿命的瓶颈问题。传统TiAl和NiAl基合金虽具有轻量化优势，但在1200℃以上高温氧化环境中表现欠佳，而Nb基合金虽具备优异的高温强度却面临加工难题。这种"鱼与熊掌不可兼得"的材料困境，促使科学家们将目光投向Nb-Ti-Al三元体系——通过巧妙组合铌的高温稳定性、钛的轻量化特性与铝的抗氧化潜力，试图打造新一代超高温结构材料。

乌克兰国家技术大学团队在《Results in Materials》发表的研究中，创新性地采用电子束熔炼（EBM）和区域熔炼（ZM）两种先进制备技术，系统研究了Nb-Ti-Al合金的微观结构演化规律与高温抗氧化机制。这两种技术各具特色：EBM通过高能电子束精确控制熔池动态，可实现快速凝固组织调控；ZM则借助He保护气氛下的定向凝固，能有效减少成分偏析。研究人员设计了三组不同Ti/Al比的合金（Nb-50.1Ti-31.9Al至Nb-53.8Ti-28.6Al），通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）结合能谱分析（EDX）等手段，揭示了材料从制备到服役的全周期性能演变规律。

微观结构特征显示，EBM制备的合金呈现典型的γ-AlTi+α₂
-Ti₃
Al双相层片组织，随着Ti含量增加，α₂
相逐渐由等轴晶转变为针状结构（图2）。而ZM样品中普遍存在的TiAlO氧化物夹杂（图3），意外成为影响性能的"双刃剑"——虽略微降低致密度，但可能通过钉扎效应抑制晶界滑移。通过Rietveld全谱拟合定量分析（表3-4），发现EBM样品中γ相含量可达87wt%，而ZM样品因氧化导致15-45wt%的TiAlO相生成。

力学性能测试揭示了成分-工艺-性能的关联规律：Nb-53.8Ti-28.6Al合金的显微硬度达6.0±0.30GPa（表5），这归因于Ti₃
Al有序相中Ti/Al原子的规则排列产生的固溶强化效应。特别值得注意的是，EBM与ZM工艺对相同成分合金的硬度影响差异达30%，证明制备工艺对最终性能具有决定性影响。

在高温氧化行为研究中，1200℃/2h的实验条件模拟了航空发动机涡轮叶片的极端环境。重量法测定显示，Nb-50.1Ti-31.9Al合金的增重仅14mg/cm²
，氧化层厚度10μm，显著优于Nb-53.8Ti-28.6Al合金的34mg/cm²
增重（图9）。通过截面分析（图10）发现，致密的TiO₂
/Al₂
O₃
双层结构是优异抗氧化性的关键，而(Nb,Ti)₃
Al相通过形成(Ti,Nb)O₂
固溶体（Nb₂
O₅
溶解度20at.%），有效阻隔了氧向内扩散。热力学计算（图11）证实，TiAl相因活化能最低而优先氧化，这解释了为何氧化后该相从晶界消失。

这项研究的意义在于建立了"成分-工艺-结构-性能"的全链条调控策略：通过精确控制EBM的熔池动力学和ZM的凝固速率，可定向诱导γ+α₂
双相组织的形成；而Nb的梯度分布设计使材料兼具TiAl的轻量化优势和Nb的高温稳定性。该成果不仅为开发新一代航空发动机热端部件材料提供了理论依据，其揭示的(Ti,Nb)O₂
固溶体形成机制，也为设计多组元抗氧化涂层开辟了新思路。未来研究可进一步探索3D打印技术在复杂构件成形中的应用潜力，推动这类材料从实验室走向工程化应用。