通过挤压温度优化和控制高Nb含量TiAl合金的微观结构及力学性能

《Intermetallics》：Optimization and controlling of the microstructure and mechanical properties of high-Nb TiAl alloy by extrusion temperature

　　

摘要

热挤压是一种有效的方法，可以调节TiAl金属间化合物的微观结构和机械性能。在本研究中，Ti-45Al-8Nb-0.2W-0.1B合金在五个不同的温度下进行了多道次挤压，这些温度涵盖了(α + γ)两相区域到α单相区域。通过扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射成像（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）对挤压温度对微观结构演变、室温及高温下的拉伸性能以及断裂和变形机制的影响进行了系统研究。随着挤压温度的升高，层状组织的体积分数和平均直径不断增大，微观结构逐渐从近γ相转变为完全层状结构。这种双相结构在室温和高温下都表现出良好的强度和延展性组合。断裂模式从近γ相结构的晶间断裂转变为近/完全层状结构的层间/跨层断裂。在室温和高温下，位错滑移和孪生是主要的变形机制。然而，在高温下，还观察到了γ相颗粒的有限动态再结晶以及应力诱导的α? → ω?相变，这些现象在局部有助于应力松弛并提高高温塑性。本研究通过调控挤压温度，为高Nb含量的TiAl合金的微观结构优化提供了实验指导。

引言

作为新一代轻质高温（HT）结构材料，TiAl合金具有低密度、出色的高温机械性能和良好的抗氧化性，在航空航天和汽车工业等高端制造领域展现出巨大潜力[1]、[2]、[3]。在900°C以下，TiAl合金的比强度高于镍基超级合金；因此，用TiAl合金替代传统的镍基超级合金涡轮叶片（主要用于替代航空发动机的最后两级叶片）可以减轻40-50%的叶片重量，并显著降低燃料消耗[4]、[5]、[6]。

然而，TiAl合金在室温下的延展性较低（通常伸长率低于1%），断裂韧性差，且加工窗口狭窄，这严重限制了其工程应用[7]。它们的内在脆性源于有序的晶体结构和共价键特性，导致位错运动困难且滑移系统有限。此外，铸造后的TiAl合金含有各种冶金缺陷，如元素偏析、粗大的微观结构、气孔和收缩腔体，进一步恶化了其机械性能[8]、[9]。高Nb含量的TiAl合金具有更高的高温强度和更好的抗氧化性，因为Nb促进了致密的Al?O?的形成并抑制了多孔TiO?的形成，从而提高了TiAl合金的抗氧化性[10]。此外，Nb的添加导致了固溶强化；由此产生的晶格畸变进一步阻碍了位错运动，从而在提高高温机械性能的同时降低了延展性[3]、[11]。

热变形是优化TiAl合金微观结构和性能的有效方法。它可以破碎粗大的铸造颗粒，减轻元素偏析并消除铸造缺陷，从而显著提高材料的强度和塑性[12]。研究表明，经过热变形后，TiAl合金的室温伸长率可提高到2-4%，同时强度也随之增强，这有利于其工程应用[13]、[14]。目前，热挤压和锻造是最广泛采用的热变形工艺。其中，热挤压由于其独特的三维压缩应力状态，可以有效抑制变形过程中的裂纹起始和扩展，因此在实际生产中具有显著优势[15]、[16]。因此，热挤压通常用作粗加工或最终成形工艺，为叶片制造或后续锻造提供了优良的微观结构基础。

在挤压工艺参数中，挤压温度是影响TiAl合金热变形行为、微观结构和机械性能的关键因素[17]、[18]、[19]、[20]。总体而言，较高的挤压温度会导致层状组织的体积分数增加，从而提高高温性能，但降低室温下的塑性。不同的微观结构赋予合金不同的性能特征[21]、[22]、[23]：近γ（NG）微观结构表现出相对较好的室温塑性，但最高温强度最差；双相（DP）和近似层状（NL）微观结构具有相对优异的全面机械性能；完全层状（FL）微观结构具有最佳的高温机械性能，但室温塑性最差。因此，揭示挤压温度、微观结构和机械性能之间的内在关联对于实现TiAl合金微观结构和性能的可控调节至关重要。然而，关于挤压温度（从(α + γ)两相区域到α单相区域）、微观结构特征（包括各个相的体积分数和分布以及平均层状组织尺寸）以及机械性能之间关系的系统研究仍然不足，特别是对于高Nb含量的TiAl合金。

在本研究中，Ti-45Al-8Nb-0.2W-0.1B合金在(α + γ)两相区域到α单相区域的温度范围内进行了挤压。系统研究了挤压温度对微观结构演变和拉伸性能的影响。此外，阐明了室温和高温下的变形机制，并建立了挤压温度、微观结构和机械性能之间的关联。这些发现为高Nb含量TiAl合金的工业生产和工程应用提供了理论和技术指导。

章节摘录

材料与加工

通过真空消耗电弧熔炼制备了名义成分为Ti-45Al-8Nb-0.2W-0.1B（以下简称为458WB合金）的锭材，随后进行了感应颅熔炼，再进行第二次真空消耗电弧熔炼。实际成分如下表所示。将铸态锭材加工成直径250毫米的圆棒，并封装在不锈钢罐中。这些圆棒最初在1280°C下进行两次挤压

合金的微观结构

图2显示了458WB合金的铸态微观结构。铸态微观结构主要由平均直径为222微米的层状组织组成（图2(a)）。等轴B?相和等轴γ相分布在层状组织的晶界上（图2(b)）。块状γ相始终出现在B?相周围，这源于凝固过程中的β → γ相变[24]。B?相的存在主要归因于较高的

结论

挤压温度显著影响高Nb含量的TiAl合金的微观结构演变、机械性能和变形行为。通过调整挤压温度，可以获得不同的微观结构，从而导致合金具有不同的机械性能和断裂特性。

• (1)
  随着挤压温度从1200°C升高到1340°C，层状组织的体积分数持续增加，同时微观结构逐渐从NG

CRediT作者贡献声明

孟向浩：撰写 – 原始草稿、验证、研究、概念化。王晓东：验证、形式分析、数据管理。任志臣：软件、方法论、形式分析。张兆：可视化、数据管理。史银凯：方法论、研究。梁永峰：撰写 – 审稿与编辑、资金获取、概念化。林俊平：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（52531004）、中国先进材料国家重点科技项目（2025ZD0609101）和河南省重点研发计划（251111231300）的财政支持。

孟向浩|王晓东|任志臣|张兆|史银凯|梁永峰|林俊平北京科技大学先进金属与材料国家重点实验室，北京，100083，中国