通过团簇公式设计实现沉淀强化 α+β 钛合金常温及高温力学性能的优异组合

《Acta Materialia》：Achieving a superior combination of ambient and high-temperature mechanical properties in a precipitation-enhanced α+β Ti alloy via cluster-formula design

　　

摘要

传统钛合金严格限制Al和Si的含量，以避免中间相析出导致的塑性损失，这反过来又限制了其室温和高温性能的进一步提升。本研究提出了一种创新策略，基于簇公式方法进行精确成分设计，并结合后续热处理来控制中间相。以Ti-6Al-4V的簇公式α-{Al₂Ti₁₄}₁₂+β-{Al₁V₂Ti₁₄}₅为起点，通过提高Al含量促进α₂-Ti₃Al的析出，添加Zr和微量Si形成硅化物，并用难熔元素（Mo_0.5Nb_0.5Ta_0.5W_0.5）替代V来细化α片层。经840°C/1h固溶+600°C/4h时效处理后，S1-840呈现出由等轴α和转变β基体组成的双峰微观组织。观察到层级分布的多尺度析出相结构：亚微米级初级硅化物和纳米级Ti₃Al优先分布在初生α相中，而次级硅化物均匀弥散分布在晶界/相界处。该样品在室温下达到了超高强度水平（R_m～1496 MPa，R_p0.2～1446 MPa）。经910°C/1h固溶+600°C/4h时效处理后，S3-910呈现全片层组织，在600°C下达到的抗拉强度为840 MPa，优于IMI 834等典型近α高温钛合金。本研究成功通过簇公式方法实现了强化相的受控析出和微观组织细化，为开发兼具优异室温和高温性能的钛合金提供了新途径。

引言

双相α+β钛合金，如Ti-6Al-4V和TC11，由于其优异的比强度、良好的可加工性和均衡的力学性能，已成为航空航天工业中不可或缺的工程结构材料[1,2,3]。先进设备对轻质、耐高温部件日益增长的需求提出了一个关键挑战：开发新型钛合金，使其在室温下具有超高强度，同时具备优异的高温性能以满足极端服役条件[4,5]。

传统α+β钛合金的性能主要依赖于β基体与α析出相之间的协同作用[6]。其微观组织可通过热处理调控，呈现出包括等轴α、片层α和细针状α在内的多模态特征，通常可提供良好的综合力学性能[6,7,8]。然而，受限于α相和β相本身相对较低的内在强度及其界面固有特性，此类合金的室温强度很少超过1400 MPa，且长期服役温度通常不超过500°C。受镍基高温合金成功的启发——在γ基体中层状析出中间相（如γ'/γ″）使其从室温到接近1000°C都能保持优异性能[9]——钛合金也有望通过Ti₃Al（α₂）和硅化物等相的析出来显著改善其室温和高温性能。事实上，IMI 834和Ti60等近α钛合金在600°C下实现了卓越的力学性能，正是通过α基体和界面中析出纳米级Ti₃Al和硅化物颗粒来实现的[10,11]。然而，在传统的α+β合金设计中，基于当量法严格限制了Al和Si的含量，以避免有害影响，如脆性相形成、硅化物粗大析出和室温塑性下降[12]。虽然这种成分约束保障了基本的塑性，但从根本上限制了优化高温强化相的尺寸、分布和体积分数，从而延续了传统的强度-塑性权衡。因此，如何将Ti₃Al和硅化物精确引入α+β钛合金，并结合通过热处理实现组织控制以在不牺牲塑性的情况下实现强化，是开发高性能先进合金的核心挑战。

Ti₃Al和硅化物在高温下完全溶于β相，仅在中温时效过程中析出[13,14]；其析出行为强烈依赖于合金成分和后续热处理[15,16]。广泛使用的成分设计方法，如Al/Mo当量法和d电子理论[17,18,19]，大多基于经验并依赖于单相的稳定性，因此不适用于准确定制双相（α+β）基体结合双析出相的复杂体系。实际上，高效精确合金设计的关键在于建立反映固溶体原子构型的结构模型，从而阐明成分背后的物理本质[20]。近年来，基于化学短程序概念提出的"簇+胶体原子"模型为此提供了一个有效的框架[20,21,22]。该模型使用由最近邻簇和若干次近邻胶体原子组成的结构单元来描述合金成分，为合金元素与基体之间的相互作用提供了洞察[20]。以经典合金Ti-6Al-4V为例，其成分可以分解为双簇公式：α-{[Al-Ti₁₂](AlTi₂)}₁₂+β-{[Al-Ti₁₄](V₂Ti)}₅，清晰地反映了α和β相的结构特征和相比例[21]。这为合理成分设计提供了理论基础。簇公式方法已成功应用于各种合金体系[21,22,24,25]，包括高温钛合金[21]、镍基高温合金[22]、高熵合金[24]和铜合金[25]。

基于上述理解，本研究提出了一种基于簇公式方法的新策略，以精确引入Ti₃Al和硅化物并通过热处理控制其析出，旨在实现α+β钛合金室温强度和塑性以及高温强度塑性的协同提升。具体设计从Ti-6Al-4V的双簇公式出发：(1) 在{β}单元中增加Al含量以促进Ti₃Al析出；(2) 在{α}和{β}单元中添加Zr及少量Si以实现硅化物形成；(3) 用缓扩散难熔元素（Mo、Nb、Ta、W）的组合替代{β}单元中的V，以细化α片层并稳定基体。由此得到一种新合金Ti-6Al-12Zr-1.5Mo-1.5Nb-3Ta-3W-0.1Si。在(α+β)区固溶处理后进行时效，S1-840形成了由等轴α和转变β基体组成的双峰微观组织，并伴随Ti₃Al和硅化物析出相的层级分布。相比之下，在β转变温度以上进行固溶处理后时效，S3-910形成了全片层组织并析出强化相。实验结果表明，该合金表现出优异的强度-塑性组合。具体而言，S1-840在室温下实现了出色性能（R_m = 1496 MPa，R_p0.2 = 1446 MPa，A = 7.8%），而S3-910在600°C下表现出卓越性能（R_m = 840 MPa，R_p0.2 = 717 MPa，A = 15.4%）。其综合性能超过了典型现有α+β和近α钛合金。本工作为开发兼具室温和高温性能平衡的双相钛合金提供了新的成分设计范式和微观组织控制策略。

章节摘要

合金设计

为实现良好的强度-塑性协同，双相钛合金通常依赖热处理来定制其微观组织。然而，其力学性能的上限，尤其是高温性能，根本上取决于合金成分。双相体系中α相和β相的高温稳定性是决定合金能否在高温下保持高强度的关键因素。然而，实施……

微观组织表征

所有样品的XRD图谱如附图S4所示。在所有样品中均观察到对应于α相和β相的明显衍射峰，而未检测到归因于Ti₃Al（α₂）相或硅化物的峰，这可能是由于其面积分数较低所致。EBSD结果如图2所示。反极图（IPF）（图2(a-c)）仅关注六方密排（HCP）α相。样品S1-840和S2-875显示出均匀分布的初生α（α_p）晶粒，具有……

强化和增韧机制

钛合金的宏观屈服强度取决于其微观组织对位错滑移的抵抗能力[48]。为了阐明合金在室温下的塑性变形机制，系统地表征了拉伸断裂后变形区的微观组织。如图7(a)所示，在S1-840中，硬相β_t被软相α_p包围。在塑性变形的初始阶段，由于……位错滑移优先在α_p中启动。

结论

在本研究中，基于Ti-6Al-4V的簇公式，开发了一种新型Ti-6Al-12Zr-1.5Mo-1.5Nb-3Ta-3W-0.1Si合金，其中掺入难熔元素（Mo、Nb、Ta、W）以细化微观组织，并利用高Zr/Si比析出受控量的高温强化相。主要结论如下：

• (1)
  S1-840样品（840°C固溶处理并在600°C时效）呈现出由等轴α_p和转变β区组成的双峰微观组织

作者贡献声明

Sijia Liu：初稿撰写、可视化、调查、验证、形式分析、数据整理、方法学。Mengfan Song：审阅和编辑、方法学、概念化。Chuisen Kong：审阅和编辑、调查、验证、数据整理、方法学。Qing Wang：监督、资源获取、经费筹集、形式分析。Enyu Guo：审阅和编辑。Chuang Dong：审阅和编辑、监督、资源获取、形式……

未引用参考文献

[23]

作者贡献声明

Sijia Liu：初稿撰写、可视化、验证、方法学、调查、形式分析、数据整理。Mengfan Song：审阅和编辑、方法学、概念化。Chuisen Kong：审阅和编辑、验证、方法学、调查、数据整理。Qing Wang：监督、资源获取、经费筹集、形式分析。Enyu Guo：审阅和编辑。Chuang Dong：审阅和编辑、监督、资源获取、项目管理，……

Sijia Liu|Mengfan Song|Chuisen Kong|Qing Wang|Enyu Guo|Chuang Dong