新型含铼β相稳定化TiAl合金在800?°C下的卓越强度与塑性研究

为解决传统TiAl合金在高温下强度与塑性难以兼顾的问题，研究人员通过热轧工艺在α+β相区构建近片层组织，开发出Ti-43Al-1.5Cr-0.5Re新型合金。该合金在800?°C下展现出821?MPa的超高抗拉强度和22%的优异延伸率，其性能提升源于α孪晶诱导的片层扭折、位错-阶梯位错（DJD）效应及不连续孪晶界的协同强化机制，为高性能TiAl合金板材制备提供了新思路。

　　

在航空航天和能源领域，钛铝合金（TiAl）因其低密度和优异的高温性能被视为替代镍基合金的潜力材料。然而，传统TiAl合金在800?°C以上服役时面临严峻挑战：强度急剧下降的同时，塑性往往不足5%，严重制约其工程应用。现有研究虽通过添加Nb、Mo等元素提升强度，但常以牺牲塑性为代价。如何突破"强度-塑性倒置"瓶颈，成为国际材料学界亟待解决的难题。

针对这一挑战，中国某研究团队在《Materials Characterization》发表研究成果，报道了一种含铼（Re）的β相稳定化Ti-43Al-1.5Cr-0.5Re合金。该研究采用热轧工艺于α+β两相区构筑近片层组织，通过多尺度变形机制协同作用，实现了800?°C下821?MPa抗拉强度与22%延伸率的突破性组合，较现有TiAl合金性能提升超30%。

关键技术方法
研究团队通过真空电弧熔炼制备合金铸锭，经1200?°C均匀化处理后，在α+β相区（约1150?°C）进行多道次热轧。采用电子背散射衍射（EBSD）分析显微组织演变，结合透射电镜（TEM）观察位错构型，通过高温拉伸试验评估力学性能，并利用数字图像相关（DIC）技术量化应变分布。

研究结果

显微组织特征
热轧后的合金呈现典型的近片层结构，由γ-TiAl/α₂-Ti₃Al片层团簇和少量β相组成。EBSD分析显示，片层团尺寸通过热轧细化至20-50?μm，远小于铸态组织的200?μm。

力学性能突破
800?°C拉伸测试中，合金屈服强度达745?MPa，抗拉强度821?MPa，延伸率22%。对比实验表明，0.5%Re的添加使强度提升约18%，而Cr元素有效抑制了高温氧化。

变形机制解析

1. 片层扭折强化：α₂相中{101ˉ1}型孪晶诱导的片层扭折（Lamellar Kinking）促使大尺寸片层团破碎，产生类似"马赛克"的细晶结构，霍尔-佩奇效应显著。
2. DJD效应：TEM观察到大量位错-阶梯位错（Dislocation-Jogged Dislocation）结构，使位错密度提升至10¹⁵?m^?2量级，形成缠结网络。
3. 孪晶界阻滞：不连续孪晶界产生应变梯度（GNDs），有效阻碍位错运动，该现象通过DIC应变云图得到验证。

结论与意义
该研究通过Re-Cr协同合金化和热轧工艺创新，实现了TiAl合金强度-塑性的协同提升。α孪晶诱导的片层扭折、DJD效应和孪晶界强化的三重机制，为设计高温结构材料提供了新范式。特别值得注意的是，Re元素的添加不仅稳定β相，更通过提高层错能促进交滑移，这一发现突破了传统β稳定元素仅考虑相图设计的局限。研究成果对开发下一代航空发动机叶片材料具有重要指导价值，其提出的"几何必需位错梯度"强化概念可延伸至其他金属间化合物体系。