铼元素强化α+β双相Ti-4Fe合金的室温与高温力学性能研究

本研究针对Ti-Fe合金高温强度显著衰减的瓶颈问题，通过粉末冶金与热机械加工技术制备铼(Re)改性Ti-4Fe合金。结果表明：4.0wt%Re添加使室温屈服强度提升91%(750→1433MPa)，500℃时2.5wt%Re使抗拉强度翻倍(258→514MPa)。该研究首次系统揭示了Re通过β相固溶强化、相界强化及β相比例提升的三重协同机制，为开发高性能耐热钛合金提供了新思路。

　　

钛合金因其优异的比强度和生物相容性，在航空航天和医疗领域具有不可替代的地位。其中α+β双相Ti-Fe合金凭借铁元素低成本、低毒性和显著固溶强化的特点备受关注，但其高温强度急剧下降的缺陷长期制约着应用拓展。传统β稳定元素如W、Mo等虽能改善高温性能，但存在强化效果有限或损害塑性的问题。这促使研究者将目光转向在镍基高温合金中表现卓越却鲜少用于钛合金的铼(Re)元素。

为解决这一关键问题，日本大阪大学的研究团队通过创新性的粉末冶金结合热机械加工技术，成功制备出Re含量梯度变化的Ti-4Fe-xRe(x=0-4.0wt%)合金。研究发现该合金体系在室温和高温下均展现出突破性的强化效果，相关成果发表在《Materials》上。研究采用火花等离子烧结(SPS)结合热挤压的制备工艺，通过电子背散射衍射(EBSD)和X射线衍射(XRD)解析微观结构演变，系统评价了不同温度下的拉伸性能。特别值得注意的是，原料中的Re颗粒经过600℃氢气氛预处理将氧含量从2.64wt%降至0.33wt%，有效避免了脆化风险。

显微结构观察显示，Re添加显著改变合金的组织特征：低Re含量(≤1.0wt%)时呈现等轴α晶粒，而高Re含量(≥1.5wt%)则形成针状α相和晶界α相(α_GB)。EBSD分析证实，Re的加入使β相比例从19.7%线性增加至76.1%，同时诱发<0001>_α//挤压方向的织构转变。XRD晶格参数分析表明，Re在β相中产生明显固溶扩张，而在α相中仅4.0wt%Re样品出现c轴收缩，暗示Re的异常分配行为。

力学性能测试获得突破性发现：室温下4.0wt%Re使0.2%屈服强度(0.2%YS)提升至1433MPa，较基体提高91%；500℃时2.5wt%Re使极限抗拉强度(UTS)从258MPa跃升至514MPa。与文献报道的Ti-4Fe基合金相比，Re的强化效果远超Si、Cu等元素，在保持7-11.8%延伸率(ETF)的同时，强度显著优于含W或TiC的复合材料。与商用Ti-6Al-4V合金对比，Re改性合金在400℃时强度(843MPa)已超越传统合金，500℃时仍保持相当水平。

通过建立修正的Hall-Petch模型和Labusch型固溶强化理论，研究定量解析了三种强化机制的贡献：1)在Ti-4Fe-1.0Re中晶界强化占主导(127MPa)；2)当Re≥1.5wt%时，β相比例增加成为主要因素(660MPa@2.5wt%Re)；3)Re在β相中的固溶强化提供112MPa增量。值得注意的是，高Re含量导致的β相粗化(-416MPa)会部分抵消强化收益，这解释了强度增长的非线性趋势。

该研究首次证实Re元素可同步提升Ti-Fe合金的室温和高温强度，其强化效果在现有合金化策略中最为突出。通过多尺度表征与机理建模，揭示了β相调控-固溶强化-晶界优化的协同作用机制，为开发新一代高强耐热钛合金提供了理论依据和工艺窗口。特别是Re对高温强度的特殊稳定作用，突破了传统Ti-Fe合金的温度限制，在航空发动机热端部件等极端环境应用中展现出巨大潜力。未来通过Re-Si等多元素协同设计，有望进一步优化强度-塑性-热稳定性的平衡。