Sn和Zr对同时提升近α钛合金高温强度和热稳定性的协同效应

《Journal of Materials Science & Technology》：Synergistic effect of Sn and Zr on simultaneously enhancing the high-temperature strength and thermal stability of near-α titanium alloys

　　

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  基于电子浓度理论设计了一种新型近α钛合金。
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  该新型合金具有增强的高温强度和热稳定性。
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  热暴露后纳米级α₂析出相保持均匀分布。

引言

近α高温钛合金具有优异的比强度、断裂韧性和高温力学性能，是制造先进航空发动机关键部件的重要材料[1]。Ti-1100、Ti60和Ti600是代表性的高性能近α高温钛合金，长期使用温度可达600°C。在工业加工条件下，这些合金在室温下的极限抗拉强度（UTS）为950-1050 MPa，伸长率（EL）为10%-15%。在600°C时，其UTS和EL分别为550-650 MPa和10%-20%。在600°C热暴露100小时后，室温UTS保持在950-1100 MPa，而EL降至5%-9%[[2]，[3]，[4]]，表明热稳定性有限。下一代航空发动机对叶片、盘和叶轮等关键部件提出了更高的高温强度和热稳定性要求[5,6]。在600°C下同时提高近α钛合金的高温强度和热稳定性，仍然是开发高性能、轻量化和长寿命航空发动机的重大挑战[7,8]。

固溶强化是近α钛合金的主要强化机制。Al在α-Ti中具有高固溶度，可显著提高室温和高温强度[9]。Al和Sn的复合添加可形成固溶体，从而提高高温强度[3]。当Al和Sn含量超过在α-Ti中的临界固溶度时，可析出Ti₃X（X = Al和Sn）化合物，即α₂相[10,11]。在变形过程中，α₂相通过钉扎位错和强化晶界进一步提高高温强度[12]。然而，在高温长期服役过程中，高体积分数的α₂析出相容易粗化和偏析，显著降低塑性和热稳定性[4,13]。先前的研究表明，合金设计可以调控α₂相的体积分数、尺寸和分布，实现晶粒细化和α₂析出相的均匀分散[14,15]。因此，已在近α钛合金中添加Y和Sc等稀土元素，以抑制长期热暴露过程中α₂相的粗化和偏析，从而提高高温强度和热稳定性[16,17]。然而，它们在α-Ti中的极低固溶度会促进晶界或局部区域的偏析，对室温塑性产生不利影响。在保持良好塑性的同时，有效抑制高体积分数α₂相的粗化和偏析，对于同时提高近α钛合金的高温强度和热稳定性至关重要。

迄今为止，已有许多高性能钛合金的合金设计方法报道，并取得了显著进展[[18]，[19]，[20]]。然而，准确阐明合金成分与α₂相之间复杂的本征关系仍然是一个关键挑战。Li等人[21]研究了Ti、Al、Sn及其他元素的原子特性对α₂相形成的影响，并提出了电子浓度理论作为评估钛合金热稳定性的判据。他们发现，在Ti-X（Al和Sn）合金中，增加电子浓度可增强从无序α向有序α₂转变的驱动力，促进α₂形核和析出，从而提高室温和高温强度。然而，一旦电子浓度超过临界值，α₂相分数显著增加，并在高温长期热暴露过程中发生粗化和偏析，削弱位错钉扎并引起局部应力集中，从而降低强度、塑性和热稳定性。基于电子浓度理论，Guan等人[22]采用α₂相形成的特征电子浓度值（约2.12）作为成分设计准则，成功设计和制备了Ti-5Al-4Sn-2Zr-1Mo-0.25Si-1Nd合金。在550°C热暴露100小时后，α₂相分数几乎保持不变，表明具有优异的热稳定性。这些结果表明，基于电子浓度理论的成分设计是调控近α钛合金中α₂相的有效方法。然而，设计具有高电子浓度的合金体系，同时有效控制α₂相的分数、尺寸和分布，仍然是一个重大挑战。

本研究提出了一种基于电子浓度理论的合金设计策略。显著提高了高电子浓度元素的含量，以促进α₂相的形核和析出，从而提高高温强度。同时，增加了能有效抑制α₂相粗化和偏析的元素含量，以提高显微组织的热稳定性。基于该策略，成功设计了一种新型近α高温钛合金。通过利用Zr和Sn的协同效应，实现了600°C下高温强度和热稳定性的同步提升，同时室温强度和塑性也显著提高。此外，进行了第一性原理计算，以阐明合金元素对α₂相结构稳定性和力学性能的影响，以及其形成机制和强化作用。研究结果为满足不同应用需求的高性能高温钛合金设计提供了新见解。

章节片段

合金设计策略与方法

本研究采用成分设计策略来调控α₂相的体积分数、尺寸和分布，从而同时提高近α钛合金在600°C下的高温强度和热稳定性。基于该策略，提出了以下成分设计准则：（i）合金体系应相对简单，避免高密度重金属和稀土元素，以实现轻量化设计、低成本和抑制

锻造试样的相组成与相变

采用Thermo-Calc计算了S1-S4试样随温度变化的平衡相分数，如图1(a-d)所示。四种试样主要由α相组成，并含有少量β和α₂(Ti₃Al)相，表明它们是近α钛合金。与S1和S2试样相比，S3和S4试样表现出显著更高的α₂相分数，表明增加Sn含量促进了α₂析出。S1-S4的XRD图谱

Zr和Sn对α₂相结构稳定性和力学性能的影响

构建了Ti₃Al晶胞和Ti₃Al (1 × 1 × 2)超胞模型，其中分别通过取代Ti (6h)和Al (2c)位点引入Zr和Sn原子。构建的模型如图7(a)所示，优化后的结构参数见补充材料。在6.25at.%掺杂浓度下，获得了四种掺杂结构：Ti₁₁Al₄Zr、Ti₁₂Al₃Zr、Ti₁₁Al₄Sn和Ti₁₂Al₃Sn，如图7(a)所示。如S1所列，其形成能为

结论

本研究提出了一种基于电子浓度理论的近α高温钛合金成分设计策略。显著提高了Sn含量以增强合金的电子浓度，从而促进α₂相的形核和析出。同时，增加了Zr的含量（Zr在Ti中具有无限固溶度，与Ti形成置换固溶体），以抑制α的粗化和偏析

数据可用性

支持本研究结果的数据可向通讯作者合理索取。

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在准备本工作期间，作者使用了ChatGPT（OpenAI）来提高语言的清晰度和可读性。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容承担全部责任。

未引用参考文献

[[33], [34], [35], [36], [37], [38], [39]]

CRediT作者贡献声明

Lili Guo：写作——审阅与编辑，写作——原稿，验证，方法学，调查。 Yujie Cui：写作——审阅与编辑，方法学，概念化。 Kehan Liu：写作——审阅与编辑，形式分析。 Xun Xue：写作——审阅与编辑。 Jianxin Xie：写作——审阅与编辑，监督，概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的、可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目号：52571031和22FAA034258）的资助。

Lili Guo|Yujie Cui|Kehan Liu|Xun Xue|Jianxin Xie