通过调控(Ti,Nb)?Si和(Ti,Nb)?Si相，实现Ti-Nb-Si合金强度与韧性的协同提升

《Intermetallics》：Synergistic improvement of strength and toughness for Ti-Nb-Si alloys through regulating (Ti,Nb) 3Si and (Ti,Nb) 5Si 3 phases

　　

摘要

了解各种竞争性金属间化合物的演化过程对于控制合金的相组成和优化其工程性能至关重要。本文采用电磁悬浮（EML）技术主动调节Ti₇₀Nb₁₄Si₁₆和Ti₇₀Nb₂₀Si₁₀合金中(Ti,Nb)₃Si和(Ti,Nb)₅Si₃相的成核过程。EML处理使得硅化物相从(Ti,Nb)₃Si转变为(Ti,Nb)₅Si₃，从而显著提高了合金的拉伸性能和断裂韧性。通过第一性原理计算和瞬态成核理论，从热力学和动力学角度阐明了相选择机制。在EML条件下，热力学上更稳定的(Ti,Nb)₅Si₃相更易形成；而亚稳态的(Ti,Nb)₃Si相则由于成核孕育时间较短，在高速冷却时更易形成。此外，EML处理有效抑制了亚稳态(ωTi)相的形成，并研究了从(βTi)向(ωTi)的转变过程。结合第一性原理计算和纳米压痕实验，评估了这两种硅化物相及其相应共晶体的力学性能。结果表明(Ti,Nb)₅Si₃相比(Ti,Nb)₃Si相具有更高的脆性。因此，EML处理后合金力学性能的提升主要归因于硅化物共晶组成的改变。(Ti,Nb)₅Si₃相在共晶中的颗粒更细小，且周围被延展性好的(βTi)相包围，这提供了更多的相界面，有效抑制了位错运动，分散了应变并吸收了能量，从而增强了合金的强度和韧性。

引言

Ti-Si合金作为一种有前景的铸造钛合金，在制造大型、复杂和薄壁钛合金铸件方面具有巨大潜力[1]、[2]、[3]。除结构应用外，Ti-Si合金中的多种硅化物相还具备在电子设备、防腐、航空航天工业和生物医学工程中的优良功能性[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。然而，由于其固有的室温脆性和较差的断裂韧性，这些合金的广泛应用受到严重限制。

近年来，Nb元素的加入被认为是一种有效提高Ti₅Si₃相室温断裂韧性的方法，因为Nb改变了该相的内部电子结构和原子键合方式[9]、[10]。此外，Ti和Nb之间的固溶效应降低了Peierls-Nabarro能垒，从而提高了位错的移动性和基体中的塑性流动，增强了合金的断裂韧性[11]、[12]。在Ti-Si合金体系中，Ti₅Si₃相已被广泛研究[13]，而亚稳态的(Ti,Nb)₃Si相由于在液固相变过程中难以形成而较少被关注[14]、[15]、[16]、[17]。值得注意的是，Nb的添加显著增强了(Ti,Nb)₃Si相从液相中的形成倾向，为(Ti,Nb)₃Si和(Ti,Nb)₅Si₃相之间的竞争性成核创造了条件[18]、[19]。然而，(Ti,Nb)₃Si相与通常被认为具有较差断裂韧性的 Nb₃Si相具有相同的晶体结构[20]。在我们之前的研究中，我们在不同快速凝固条件下研究了这两种硅化物相的竞争性成核行为，并建立了相选择行为与相应温度场特征之间的关系[21]。尽管取得了这些认识，但目前仍不清楚影响这两种硅化物相竞争性成核的热力学和动力学因素。此外，这两种硅化物相的本征力学性能及其对合金力学性能的影响尚未得到系统研究，需要进一步深入探讨。因此，全面理解(Ti,Nb)₃Si和(Ti,Nb)₅Si₃相之间的竞争性成核机制对于优化合金力学性能至关重要。

在过冷熔体中的相竞争是材料科学中的一个基本科学问题，受热力学和动力学因素的共同作用[22]、[23]、[24]。理解和操控相选择行为是调整合金相组成的关键[25]。在之前的研究中，Co-Si、Zr-Rh和Fe-B共晶合金以及Mo-Co、Fe-Mo和Al-Co包晶合金中也观察到了相选择现象[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。在这些系统中，多种相可以从过冷熔体中成核，其成核顺序由各相的热力学成核势垒和液态中的原子扩散动力学过程决定，这两者都随凝固条件而变化。在快速凝固过程中，成核动力学可能促进热力学稳定性较低的亚稳态相的优先成核[31]。电磁悬浮（EML）作为一种典型的无容器处理技术，被认为是一种在可控凝固条件下调节合金凝固模式和相组成的有效方法。

在本研究中，通过EML技术主动调控(Ti,Nb)₃Si和(Ti,Nb)₅Si₃相的生长，以改善Ti₇₀Nb₁₄Si₁₆和Ti₇₀Nb₂₀Si₁₀合金的拉伸性能和断裂韧性。结合第一性原理计算和瞬态成核理论，从热力学和动力学角度阐明了相选择机制。研究了亚稳态(ωTi)相和(βTi)相之间的转变过程。此外，通过第一性原理计算和纳米压痕实验评估了这两种硅化物相及其相应共晶体的本征力学性能，并分析了合金的断裂特性和裂纹扩展行为，阐明了硅化物相选择对其力学性能的影响。

部分片段

合金制备

使用高纯度Ti（99.999%）、Nb（99.99%）和Si（99.999%）在氩气氛围下的电弧熔炼炉中制备了重量为2.5克的Ti₇₀Nb₁₄Si₁₆和Ti₇₀Nb₂₀Si₁₀母合金。每批合金重新熔炼五次以确保化学均匀性，质量损失控制在0.3%以下。对于EML实验，母合金在氩气氛围下通过电磁感应加热并悬浮，在不同的过冷度下凝固。

微观结构演变和相分析

图1(a)显示了Ti-Nb-Si体系平衡液相图的Ti富集区域以及所选Ti₇₀Nb₁₄Si₁₆和Ti₇₀Nb₂₀Si₁₀合金的对应位置[18]、[19]。图中存在两条共晶线，分别对应(Ti,Nb)₃Si + (βTi)和(Ti,Nb)₅Si₃ + (βTi)共晶。此外，在(U6: L + (Ti,Nb)₃Si → (βTi) + (Ti,Nb)₅Si₃)交点处发生了一种过渡共晶反应。根据我们之前的研究，未发现这种过渡共晶反应的证据

结论

总之，本研究通过EML技术在Ti₇₀Nb₁₄Si₁₆和Ti₇₀Nb₂₀Si₁₀合金中实现了(Ti,Nb)₃Si和(Ti,Nb)₅Si₃相的主动调控，并研究了相选择对合金拉伸性能和断裂韧性的影响。此外，通过结合第一性原理计算和瞬态成核理论，从热力学和动力学角度阐明了相选择机制。从(βTi)相向(Ti,Nb)₅Si₃相的转变过程也被探讨了

CRediT作者贡献声明

海英超：撰写 – 原稿撰写、方法学设计、实验实施、数据分析、概念化。杨明晖：数据验证、方法学设计、数据分析。怀鹏飞：数据分析可视化、实验实施、数据管理。阮颖：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法学设计、实验实施、资金申请、概念化。魏冰波：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、实验实施。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52225406和52688201）、中国载人航天计划空间应用系统（项目编号：KJZ-YY-NCL0604）、秦创原“科学家与工程师”团队发展计划（项目编号：2025QCY-KXJ-152）以及西北工业大学博士论文创新基金的支持。作者感谢刘克伦先生、李浩然先生、刘慧女士、冯丹女士和邱峰女士的帮助。

海英超|杨明晖|怀鹏飞|阮颖|魏冰波西北工业大学物理科学与技术学院材料物理与化学重点实验室，西安，710072，中国