Fe–Ni–Al合金中Ti诱导的β′(NiAl)析出相粗化机制转变

《Intermetallics》：Transition in coarsening mechanisms of β′(NiAl) precipitates induced by Ti in Fe–Ni–Al alloys

　　

摘要

本研究探讨了Ti添加对Fe–10Ni–15Al合金在800–900 °C长时间时效（长达1000 h）过程中微观组织演变、粗化动力学及显微硬度响应的影响。通过Thermo-Calc热力学平衡计算，结合高分辨率扫描电镜（HR-SEM）和能量色散X射线能谱（EDS）分析，发现Ti优先分配至β′相，在稳定的α-Fe + β′两相区内提高了平衡析出相的体积分数，并改变了析出相与基体之间的界面特征。这些变化与析出相向细长及不规则合并颗粒的形貌转变相关，并伴随几何界面位错网络的形成。无Ti合金的粗化行为符合经典的Lifshitz–Slyozov–Wagner（LSW）理论，而Ti改性合金则表现出明显偏离基本LSW假设的特征，这被认为是由体积分数效应、析出相局部空间聚集、广泛的合并行为以及界面辅助现象之间的竞争协同作用所调控的。维氏显微硬度测量结果显示，合金呈现出平台型硬化响应而非传统的过时效行为；这种在长时间暴露下硬度值的暂时稳定，很可能归因于几何界面位错网络的发育，该网络预期可作为阻碍基体位错滑移的额外结构屏障。总之，这些发现表明钛添加改变了β′析出相的粗化路径，并延缓了这些高温铁素体合金的软化过程。

引言

高温应用要求材料具有优异的力学强度、微观组织稳定性以及卓越的抗氧化和耐腐蚀性能 [[1], [2], [3]]。Ni基高温合金长期以来主导这一领域，仍然是蒸汽轮机和飞机部件制造的基准材料 [[3], [4], [5], [6], [7], [8]]。近年来，大量研究工作致力于开发能够与Ni基体系竞争的、具有成本效益的新型合金。因此，Fe基高温合金凭借其优异的力学性能和较低的成本，作为一种有前景的替代材料而脱颖而出 [1,[9], [10], [11], [12], [13]]。在这类材料中，以共格β'（NiAl型）析出相强化的铁素体系引起了特别关注，被视为高温应用的潜在候选材料 [14,15]。

从微观组织来看，这些BCC–B2（α-Fe–β′）铁素体系与Ni基高温合金典型的经典FCC–L1₂（γ–γ′）微观组织表现出密切的类比关系，因为两者均由延展性基体和高体积分数共格有序金属间化合物析出相强化 [[16], [17], [18], [19], [20]]。这种微观组织的相似性奠定了它们相似的强化机制，其中β′析出相的尺寸和均匀分布对于Fe基高温合金的高温强度起着关键作用 [[19], [20], [21]]。然而，在高温下的长期暴露会促使β′析出相通过析出相/基体界面的原子扩散发生严重粗化，导致蠕变抗力和整体力学性能的逐步退化 [9,14,22,23]。

多项研究表明，添加合金化元素是控制析出相粗化动力学的一种有效方法。这种效应通过改变各相的晶格常数来实现，从而改变析出相/基体界面能、溶质溶解度和原子扩散系数 [10,[24], [25], [26], [27], [28]]。例如，Ferreira-Palma等人 [29] 表明，添加高达20 at.%的Cr可延缓β′析出相的粗化，同时略微增加析出相的体积分数。类似地，Jiao等人 [30] 报道Mn的添加促进了Al亚晶格中的置换，降低了形核所需的应变能，从而降低了临界形核势垒，导致Fe–Ni–Al合金中β′析出相的细化。同样，Park等人 [1] 观察到Fe–Cr–Ni–Al合金中β′析出相的平均半径随V浓度的增加而减小，并将这一行为归因于基体与NiAl型析出相之间晶格失配度的降低。此外，最近关于Ti改性Fe–Ni–Cr–Al体系的研究报道了增强的蠕变和粗化抗力，这与共格共存的L2₁–Ni₂TiAl和B2–NiAl层级相的形成有关 [11,17,22,27]。

尽管对Ti改性Fe–Ni–Al合金的研究已相当广泛，但析出相合并、界面位错网络形成及其对长时间时效过程中粗化动力学影响的综合效应尚未得到系统的定量研究。为了建立这些现象的严格理论框架，本研究采用Thermo-Calc计算热力学模拟来预测相平衡和稳定性边界。通过将计算与系统的实验验证相结合，本研究旨在定量关联微观组织演变、析出相粗化动力学及随后的力学响应。

章节摘要

热力学建模

为建立实验合金的平衡相边界和理论相稳定性，采用CALPHAD方法进行了计算热力学计算。使用Thermo-Calc软件包（2026a版本）结合TCFE15 Fe基合金数据库，计算了Fe–10Ni–15Al–xTi（at.%）体系的准二元温度-Ti成分相图。模拟在500–1200 °C的温度范围内执行，钛的

热力学相稳定性

Fe–10Ni–15Al–xTi（at.%）体系计算的准二元温度-Ti成分相图如图1所示。热力学平衡计算表明，在800–900 °C的研究温度范围内以及整个成分范围（x = 0至4 mol.% Ti）内，该体系由一个宽而稳定的两相区控制。该区域由无序BCC基体（α-Fe，BCC_A2）和单一有序B2金属间化合物相（β′，BCC_B2）组成。

该

结论

根据对合金的微观组织分析和显微硬度测试，得出以下结论：

• 1.
  Ti添加通过增加β′析出相的平衡体积分数并改变其界面特征，显著改变了Fe–Ni–Al合金中β′析出相的粗化路径。通过HR-SEM和TEM观察到的几何界面位错网络强烈暗示了从共格到半共格的转变，这可能提供了辅助的

CRediT作者贡献声明

E. Pérez-Badillo：撰写–初稿、形式化分析、概念构思。H.J. Dorantes-Rosales：撰写–审阅与编辑、方法论。V.M. López-Hirata：监督、方法论。C. Ferreira-Palma：撰写–审阅与编辑、调查。M.A. Beltrán-Zu?iga：撰写–审阅与编辑、调查。E. Nava-Navarrete：撰写–审阅与编辑、调查。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢 SECIHTI 和 SIP-BEIFI-IPN 提供的资金支持。

E. Pérez-Badillo|H.J. Dorantes-Rosales|V.M. López-Hirata|C. Ferreira-Palma|M.A. Beltrán-Zu?iga|E. Nava-Navarrete

墨西哥国立理工学院，高等化工与采矿工程学院，冶金与材料工程系，墨西哥城，07738，墨西哥