综述：钛铝金属间合金的热力耦合模拟与亚微米晶粒调控

本综述系统探讨了钛铝（TiAl）合金通过热机械加工（TMP）实现亚微米级晶粒调控的核心机制，重点分析了锻造、轧制与挤压过程中的动态再结晶（DRX）行为、热加工图构建及本构方程对工艺优化的指导作用，揭示了超细晶（UFG）材料在高温超塑性与室温强塑性协同提升中的突破性潜力，为航空航天领域高性能构件制备提供关键理论与技术支撑。

　　

变形热处理

变形热处理是一种将塑性变形与热处理工艺有机结合的复合强化技术，其核心在于通过变形与热处理参数的同步调控，实现晶粒细化、相结构优化与力学性能的协同提升。该工艺利用塑性变形产生的位错、亚晶界等缺陷，为后续再结晶与相变过程提供形核位点，从而突破传统热处理难以实现的微观结构均匀细化瓶颈。对于TiAl合金而言，其典型双相组织（γ-TiAl相与α₂-Ti₃Al相）的各向异性特征显著，通过热机械加工可激发动态再结晶（DRX）、相变诱导塑性（TRIP）等多重机制，主动调控层片间距与晶粒尺寸的多尺度匹配。

TiAl合金的变形热处理技术

TiAl合金因低密度（约3.7 g/cm3）、高比强度（>400 MPa·cm3/g）及优异的高温抗氧化性（>800°C）被视为航空发动机低压涡轮叶片的理想材料。然而，其本征脆性（室温延伸率<1%）、高变形抗力（流变应力>200 MPa）及狭窄的热加工窗口（加工温度范围<100°C）严重限制了塑性成形能力。研究表明，通过多道次锻造、异步轧制或等通道角挤压（ECAP）等工艺，可引入剪切应变与静水压力，有效破碎粗大层片团、促进动态再结晶，最终获得亚微米级等轴晶组织。例如，在近β相区（1100–1200°C）进行多向锻造时，TiAl合金可通过不连续动态再结晶（DDRX）形成细小的再结晶晶粒，同时借助变形诱导相变细化α₂相分布；而采用低温大变形工艺（如750°C下挤压）则能够利用连续动态再结晶（CDRX）机制形成超细晶结构，显著提升室温强塑性匹配。

热变形本构方程与热加工图

TiAl合金的热变形行为高度敏感于温度、应变速率与变形量参数。通过热模拟压缩实验构建的双曲正弦形式本构方程，可定量描述流变应力与Zener-Hollomon参数（Z参数）的关系，揭示其高温变形过程中的加工硬化、动态回复与再结晶的竞争机制。基于动态材料模型（DMM）构建的热加工图能够明确划分失稳区与安全加工窗口：失稳区通常对应绝热剪切带或微裂纹的形成，而安全区则与动态再结晶或超塑性变形机制相关联。例如，高铌TiAl合金在应变速率0.001 s^?1、温度1150°C附近展现出典型的DRX域，晶粒尺寸可细化至2–5 μm；而当应变速率升至1 s^?1时，则易出现流动局部化导致的失稳现象。

超细晶制备现状

TiAl合金的晶粒细化途径主要包括凝固路径调控、粉末冶金与剧烈塑性变形三大类。通过成分设计或温控冷却改变固相转变路径，可借助β→α相变过程中多变体交互作用抑制晶粒长大；而机械合金化结合热等静压（MA+HIP）则能够制备出晶粒尺寸低于500 nm的全致密坯料。值得注意的是，基于ECAP、高压扭转（HPT）等剧烈塑性变形技术可制备出层片间距小于100 nm的超细晶TiAl材料，其室温抗压强度突破2000 MPa的同时延伸率可达5%–8%，且在800–900°C高温下呈现超过500%的超塑性延伸率，为复杂构件的近净成形提供新途径。

TiAl合金热力耦合模拟的理论基础构建

TiAl合金的热力耦合模拟需融合晶体学、热力学与力学理论，核心在于揭示热-力耦合作用下微观组织演化与宏观力学响应的关联机制。从晶体结构角度，L1₀有序面心四方结构的γ-TiAl相与D0₁₉有序六方结构的α₂-Ti₃Al相之间存在特定的取向关系（如 Blackburn关系），导致变形过程中位错滑移与孪生机制的强烈各向异性。通过耦合相场法（PFM）、晶体塑性有限元（CPFEM）与元胞自动机（CA）的多尺度模拟，可定量预测动态再结晶体积分数、织构演变及裂纹萌生行为，为工艺参数优化与缺陷控制提供数字化支撑。

总结

TiAl合金凭借低密度、耐高温与高比强度等特性在航空航天领域展现出广阔应用前景，但其室温塑性不足与加工难题制约了工程化应用。组织细化尤其是热机械加工（TMP）技术可显著提升TiAl合金的力学性能，成为突破性能瓶颈的关键方向。通过热变形本构方程与加工图可优化工艺窗口，避免失稳缺陷并促进动态再结晶；多工艺路线协同能够实现亚微米级晶粒与纳米级层片间距的协同调控，使超细晶材料同时具备高强度与优异超塑性。未来研究需聚焦高铌TiAl合金的变形兼容性、复杂构件成形均匀性及多尺度模拟技术的工程应用转化。