西工大李金山教授課題組在金屬領域頂級期刊《Acta Materialia》發表研究成果
【導讀】
未來航空航天工業的發展方向是大動力，強機動，長壽命以及低能耗，這就決定了結構金屬材料必須朝著輕質高強的方向邁進。鈦鋁合金的密度僅為鎳基高溫合金的一半，在650~ 850 ℃溫度區間有可能取代高溫合金制作某些航空航天結構件以及地面動力系統轉動或往復運動結構件, 實現推力重量比值和燃油效率的大幅度提高。但狹窄的熱加工窗口以及極低的室溫塑性嚴重制約了鈦鋁合金的商業化應用。在鈦鋁合金中引入β穩定元素，在高溫下形成大量的無序β相，可以很好地拓寬材料的熱加工窗口，但β相在冷卻過程中發生了有序化，使得本就非常差的室溫塑性進一步降低。通過定向凝固的方法制備出PST鈦鋁單晶，可以很好的提高鈦鋁合金的室溫塑性，同時提高其應用溫度。但是PST單晶的組織各向異性過于明顯，在航空航天發動機這類轉子結構中并不實用。怎樣提高鈦鋁合金的室溫塑性并拓寬其熱加工窗口一直是國內外研究的難點和熱點。
【成果簡介】
近日，在西北工業大學材料學院李金山課題組唐斌教授，王毅副教授的帶領下，以經典鈦鋁合金Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B為研究對象，通過兩步固溶時效熱處理在觸發大規模胞狀反應，形成T-T和T-D兩種新顯微組織。研究發現：與片層組織相比，這兩種組織分別將室溫提高提高將近~180MPa和130MPa，并展現出2倍于片層組織的室溫塑性。另外， T-T和T-D結構還同時極大地降低了材料的再結晶溫度，使其在800℃下展分別現出67%和79%的塑性，從而大大拓寬了鈦鋁合金的熱加工窗口，提高材料的熱成型能力，降低了加工成本。這兩種組織還可以拓展到其它可以大規模發生胞狀反應的鈦鋁合金體系中，為提高鈦鋁合金的室溫強塑性以及拓寬其熱加工窗口提供了新途徑。
相關研究成果以“Evading the strength-ductility trade-off at room temperature and achieving ultrahigh plasticity at 800℃ in a TiAl alloy”為題發表在國際金屬領域頂級期刊《Acta Materialia》上。該論文的通訊作者為唐斌教授，王毅副教授，第一作者為博士生鄭國明。該工作獲得國家自然科學基金和航空科學基金的大力資助和支持。
【圖文介紹】
圖1 (a) 全片層組織；(b) T-T結構；(c) T-D結構；(d) 片層組織的歐拉取向圖；(e) T-T結構的歐拉取向圖；(f) T-D結構的歐拉取向圖；(g) 片層結構γ和α2相的極圖；(h) 片層組織，類珠光體組織γ、α2和β0相的極圖；(i) 歐拉取向圖中不同顏色對應的歐拉角；(j) 片層組織，T-T和T-D結構中大角晶界統計。
圖2 片層組織、T-T和T-D結構在室溫和800 ℃時的拉伸性能；(a) 室溫時三種組織的拉伸真應變-真應力曲線和加工硬化速率曲線;(b) 800℃時三種組織的拉伸真應變-真應力曲線;(c) T-T和T-D結構的抗拉伸強度與塑性與國內外已報道TNM鈦鋁合金拉伸力學性能對比圖;(d)在800℃時三種組織的力學性能比較。
圖3 室溫變形時片層組織和類珠光體組織的變形機制 (a) γ片層組織通過位錯和層錯(SFs)變形，且它們都在α2/γ界面處聚集。(b) (a)圖中標記的A區域的透射高分辨圖像。(c) (b)圖的傅里葉轉變(FFT)圖像。(d) T-T結構中類珠光體變形時有位錯纏結并形成高密度變形孿晶，孿晶之間相互交叉;許多幾何位錯密度(GNDs)聚集在片層和類珠光體組織之間的界面上。(e)變形的類珠光體組織中形成高密度的變形孿晶，孿晶之間相互交叉；(f) (e)如中標記的B區的高分辨透射圖；(g) (f)圖的傅里葉轉變(FFT)圖像。
圖4 800℃變形時片層和珠光體組織γ相的變形機制。(a)、(b)分別為片層組織變形時的透射明場像和暗場像，表明其塑性變形主要為位錯滑移和變形孿晶。(a)圖像中的選區電子衍射和(b)圖的高分辨圖進一步證實了位錯纏結和納米孿晶的形成;(c)類珠光體組織變形的透射明場像;(d) (C)中標記的區域A的放大，表明在800℃拉伸試驗期間出現動態回復和再結晶。
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