西工大李金山教授课题组在金属领域顶级期刊《Acta Materialia》发表研究成果
【导读】
未来航空航天工业的发展方向是大动力，强机动，长寿命以及低能耗，这就决定了结构金属材料必须朝着轻质高强的方向迈进。钛铝合金的密度仅为镍基高温合金的一半，在650~ 850 ℃温度区间有可能取代高温合金制作某些航空航天结构件以及地面动力系统转动或往复运动结构件, 实现推力重量比值和燃油效率的大幅度提高。但狭窄的热加工窗口以及极低的室温塑性严重制约了钛铝合金的商业化应用。在钛铝合金中引入β稳定元素，在高温下形成大量的无序β相，可以很好地拓宽材料的热加工窗口，但β相在冷却过程中发生了有序化，使得本就非常差的室温塑性进一步降低。通过定向凝固的方法制备出PST钛铝单晶，可以很好的提高钛铝合金的室温塑性，同时提高其应用温度。但是PST单晶的组织各向异性过于明显，在航空航天发动机这类转子结构中并不实用。怎样提高钛铝合金的室温塑性并拓宽其热加工窗口一直是国内外研究的难点和热点。
【成果简介】
近日，在西北工业大学材料学院李金山课题组唐斌教授，王毅副教授的带领下，以经典钛铝合金Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B为研究对象，通过两步固溶时效热处理在触发大规模胞状反应，形成T-T和T-D两种新显微组织。研究发现：与片层组织相比，这两种组织分别将室温提高提高将近~180MPa和130MPa，并展现出2倍于片层组织的室温塑性。另外， T-T和T-D结构还同时极大地降低了材料的再结晶温度，使其在800℃下展分别现出67%和79%的塑性，从而大大拓宽了钛铝合金的热加工窗口，提高材料的热成型能力，降低了加工成本。这两种组织还可以拓展到其它可以大规模发生胞状反应的钛铝合金体系中，为提高钛铝合金的室温强塑性以及拓宽其热加工窗口提供了新途径。
相关研究成果以“Evading the strength-ductility trade-off at room temperature and achieving ultrahigh plasticity at 800℃ in a TiAl alloy”为题发表在国际金属领域顶级期刊《Acta Materialia》上。该论文的通讯作者为唐斌教授，王毅副教授，第一作者为博士生郑国明。该工作获得国家自然科学基金和航空科学基金的大力资助和支持。
【图文介绍】
图1 (a) 全片层组织；(b) T-T结构；(c) T-D结构；(d) 片层组织的欧拉取向图；(e) T-T结构的欧拉取向图；(f) T-D结构的欧拉取向图；(g) 片层结构γ和α2相的极图；(h) 片层组织，类珠光体组织γ、α2和β0相的极图；(i) 欧拉取向图中不同颜色对应的欧拉角；(j) 片层组织，T-T和T-D结构中大角晶界统计。
图2 片层组织、T-T和T-D结构在室温和800 ℃时的拉伸性能；(a) 室温时三种组织的拉伸真应变-真应力曲线和加工硬化速率曲线;(b) 800℃时三种组织的拉伸真应变-真应力曲线;(c) T-T和T-D结构的抗拉伸强度与塑性与国内外已报道TNM钛铝合金拉伸力学性能对比图;(d)在800℃时三种组织的力学性能比较。
图3 室温变形时片层组织和类珠光体组织的变形机制 (a) γ片层组织通过位错和层错(SFs)变形，且它们都在α2/γ界面处聚集。(b) (a)图中标记的A区域的透射高分辨图像。(c) (b)图的傅里叶转变(FFT)图像。(d) T-T结构中类珠光体变形时有位错缠结并形成高密度变形孪晶，孪晶之间相互交叉;许多几何位错密度(GNDs)聚集在片层和类珠光体组织之间的界面上。(e)变形的类珠光体组织中形成高密度的变形孪晶，孪晶之间相互交叉；(f) (e)如中标记的B区的高分辨透射图；(g) (f)图的傅里叶转变(FFT)图像。
图4 800℃变形时片层和珠光体组织γ相的变形机制。(a)、(b)分别为片层组织变形时的透射明场像和暗场像，表明其塑性变形主要为位错滑移和变形孪晶。(a)图像中的选区电子衍射和(b)图的高分辨图进一步证实了位错缠结和纳米孪晶的形成;(c)类珠光体组织变形的透射明场像;(d) (C)中标记的区域A的放大，表明在800℃拉伸试验期间出现动态回复和再结晶。
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