Ti60合金长期高温拉伸蠕变中的微观结构演变机制与寿命预测研究

为解决航空发动机高温部件蠕变性能优化问题，中国科学院金属研究所团队针对Ti60合金开展1090?°C/2?h/AC+700?°C/2?h/AC真空固溶-时效处理，通过1700-3000小时超长蠕变测试，发现硅化物析出促使蠕变机制从位错滑移(dislocation slip)转变为位错攀移(dislocation climbing)，建立等应力法寿命预测方程（预测寿命27.82个月），为高温合金设计提供重要理论依据。

　　

在航空发动机领域，高温蠕变(creep)性能直接决定关键部件的服役寿命。Ti60合金作为典型近α型钛合金，其高温下的微观组织演变规律与寿命预测始终是材料科学界的难题。传统研究多聚焦短期蠕变行为，而实际服役往往需要数万小时，这种"时间鸿沟"导致实验室数据与工程应用严重脱节。更棘手的是，现有研究对硅化物(silicides)析出与位错(dislocation)交互作用的机制认知不足，制约着合金性能的精准调控。

针对这些挑战，中国科学院金属研究所团队在《Materials Characterization》发表了突破性研究。研究人员采用真空固溶-时效处理(vacuum solution-aging, 1090^°C/2?h/AC+700^°C/2?h/AC)优化Ti60合金组织，通过1700小时和3000小时两组超长高温拉伸蠕变试验，结合等应力法(equal stress method)建立寿命预测模型，并利用透射电镜(TEM)系统解析微观结构演变规律。

微观组织演变
TEM分析显示，时效处理促使α₂相(Ti₃Al)和硅化物(Ti₅Si₃)纳米颗粒在基体中弥散析出。在蠕变初期(0-500h)，位错滑移主导变形，硅化物与位错形成强烈交互作用；当进入稳态蠕变阶段(500-1700h)，位错攀移逐渐成为主要机制，硅化物通过钉扎效应(pinning effect)促进位错重排，形成稳定的亚晶界(subgrain boundaries)。

蠕变寿命预测
基于等应力法建立的寿命方程显示，试验条件下合金理论寿命达27.82个月。该模型首次量化了硅化物体积分数(15-18vol%)与蠕变速率(creep rate)的指数关系：当硅化物尺寸小于50nm时，每增加1vol%析出相可使稳态蠕变速率降低约7.3%。

性能提升机制
研究揭示硅化物的双重作用：一方面作为位错运动的障碍物，通过Orowan机制(Orowan mechanism)提升材料抗变形能力；另一方面促进位错交滑移(cross-slip)和攀移，形成稳定的三维位错网络(3D dislocation network)。这种独特的微观结构使合金在650^°C/150MPa条件下的蠕变断裂延伸率提升至8.2%，较传统热处理工艺提高32%。

该研究不仅为Ti60合金的工程应用提供了可靠的寿命预测工具，更开创性地阐明了硅化物调控高温蠕变性能的微观机制。提出的"析出相尺寸-位错运动-蠕变抗力"三元关系模型，为发展新一代高温钛合金提供了理论指导。研究结果对航空发动机涡轮盘、高压压气机叶片等关键部件的选材设计具有重要参考价值，有望将我国航空发动机的服役温度窗口提升50-80^°C。