多相增强相协同原位共沉淀制备Ti-46Al-5Nb-0.1C合金实现微观结构优化与力学性能提升

为解决航空航天用TiAl合金室温塑性差、高温强度不足的瓶颈问题，研究人员通过等离子旋转电极工艺(PREP)、低能球磨和感应热压烧结(HPS)技术，成功制备出具有TiB/Ti2AlC多相增强网络的TiAl复合材料。该材料使层片团尺寸从425.3μm细化至78.5μm，在800℃下实现591.19MPa抗拉强度和1.76%延伸率的优异平衡，为新一代航空发动机叶片材料设计提供新思路。

　　

随着航空发动机向高推重比、长寿命方向发展，传统镍基高温合金已难以满足减重要求。TiAl合金因其低密度（约为镍基合金一半）、高比强度等优势被视为理想替代材料，但其室温脆性和高温强度不足长期制约工程应用。特别是当服役温度超过800℃时，现有TiAl合金会出现显著的强度骤降现象。这种"强度-塑性倒置"困境源于材料本征特性：室温下位错运动受限导致脆性断裂，高温下层片组织失稳引发性能退化。

针对这一挑战，北京科技大学材料科学与工程学院的研究团队创新性地提出多尺度协同增强策略。他们选择Ti-46Al-5Nb-0.1C（at.%）作为基体合金，通过引入B₄C在烧结过程中原位生成多类型增强相，成功制备出具有网络状增强结构的复合材料。该成果发表在《Materials》期刊，为解决TiAl合金强度与塑性难以兼得的行业难题提供了新方案。

研究采用等离子旋转电极制粉（PREP）确保粉末球形度，结合低能球磨实现B₄C均匀分散，最后通过感应热压烧结（HPS）完成致密化。微观结构表征采用扫描电镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和高分辨透射电镜（HRTEM），力学性能测试包含室温与800℃拉伸实验。

3.1 微观结构表征
研究发现，添加0.1wt.% B₄C使层片团尺寸从425.3μm显著细化至78.5μm。TEM分析揭示在层片边界形成了TiB纳米颗粒（20-50nm）、TiB晶须（长径比>10）和Ti₂AlC纳米片的三维网络。特别值得注意的是，TiB晶须表面存在堆垛层错，有效缓解了与基体的热膨胀失配。HRTEM证实α₂/γ层片界面存在碳偏聚导致的晶格畸变，这种"固溶+界面"双重强化是提升性能的关键。

3.2 拉伸性能
含0.05wt.% B₄C的复合材料展现出最佳强塑性匹配：室温抗拉强度637.68MPa（提升18.7%）同时延伸率增至0.24%；800℃下强度达591.19MPa时延伸率高达1.76%，远超未增强合金的1.10%。这种"高温增塑"效应源于多相增强体诱导的纳米孪晶，在变形过程中提供了额外滑移系。

3.3 应变区微观结构
EBSD分析显示，增强复合材料中位错分布更均匀，KAM（核平均取向差）值降低27%。变形机制研究表明，γ层片内形成高密度纳米孪晶（宽度<10nm），且孪晶-孪晶交叉产生几何必需位错，这种"孪晶诱导塑性"有效延缓了裂纹萌生。同时，TiB晶须通过裂纹偏转和桥联作用阻止裂纹扩展。

3.5 强化机制
研究提出四级协同强化模型：1）碳固溶强化基体；2）纳米增强体钉扎层片边界抑制组织退化；3）网络结构通过H-S上限理论提升整体刚度；4）变形孪晶协调塑性变形。这种"尺寸-界面-架构"多级调控策略，突破了传统TiAl合金性能天花板。

该研究通过创新性的多相增强设计，实现了TiAl复合材料强度与塑性的协同提升。特别是800℃下1.76%的延伸率，已达到航空发动机叶片材料的应用门槛。网络状增强结构的设计思路，为开发新一代高温结构材料提供了重要借鉴。未来通过优化B₄C含量和空间分布，有望进一步突破性能极限，推动TiAl合金在航空发动机高压压气机等关键部件的工程应用。