热暴露诱导近α钛合金Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.5Y-0.5Si微观结构演变与蠕变性能协同强化机制研究

为解决高温服役条件下钛合金微观结构失稳导致的蠕变性能退化问题，东北大学材料科学与工程学院团队通过热暴露实验系统研究了PM近α钛合金中(Ti,Zr)6Si3硅化物和Ti3Al析出相的协同强化机制。研究发现200小时热暴露使合金蠕变寿命提升75%，稳态蠕变速率降低44%，揭示了界面Zener钉扎与位错攀爬的协同作用机制，为航空航天高温部件材料设计提供理论依据。

　　

在航空发动机压气盘和涡轮叶片等高温部件领域，近α钛合金因其优异的比强度和高温蠕变抗力成为关键材料。然而长期高温服役过程中，β相层的不稳定性、硅化物粗化以及动态回复(DRV)等问题严重制约材料寿命。传统研究多聚焦短时热处理或合金化元素添加，对热暴露引发的多尺度析出行为与蠕变损伤机制的关联认知仍存空白。

东北大学材料科学与工程学院的研究团队通过设计Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.5Y-0.5Si合金的阶梯式热暴露实验（50-200小时/600℃），结合蠕变测试与多尺度表征，首次阐明了(Ti,Zr)₆Si₃硅化物与Ti₃Al析出相的LSW粗化动力学规律及其协同强化机制。该成果发表于《Journal of Materials Research and Technology》，为发展新一代高温钛合金提供了微观设计范式。

研究采用高能球 milling(HEBM)制备合金粉末，通过热挤压和真空退火获得均匀组织。利用XRD、EBSD和STEM等技术定量分析了相变行为，采用ECM-100蠕变试验机测试不同状态样品在600-650℃/150-350MPa条件下的性能，结合几何相位分析(GPA)解析位错-析出相交互作用。

3.1 微观结构演变

热暴露导致β层碎片化（体积分数从8.2%降至5.0%）和α片层粗化（厚度从1.27增至1.32μm）。EBSD显示低角度晶界(LAGBs)比例从20.5%降至15.3%，证实静态回复主导。TEM证实硅化物遵循LSW粗化动力学（k=2.59 nm³/s），200小时后尺寸从93nm增至139nm，体积分数提升至3.83%。

3.2 蠕变性能提升

200小时热暴露样品在600℃/250MPa下稳态蠕变速率降至0.39×10^-7s^-1，较未暴露样品降低44%。对比EB-DED制备的Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si合金，其650℃下蠕变速率仍低1个数量级。

3.3 位错行为调控

GPA应变图显示Ti₃Al周围存在显著ε_xx应变场（γ_APB=0.25 J/m²），导致位错"受限剪切"。硅化物通过Orowan机制产生61MPa强化应力，协同抑制DRX（再结晶晶粒分数从7.9%降至6.8%）。

3.4 断裂机制转变

热暴露使断裂模式从混合型（界面裂纹占比41%）转变为穿晶断裂主导（变形晶粒分数达21.2%），Zener钉扎压力P_z/γ_B提升至0.453 μm^-1有效抑制界面空穴形核。

该研究通过建立"硅化物界面钉扎-Ti₃Al位错阻滞"的双相强化模型，解决了高温钛合金长期服役中的组织失稳难题。特别是发现硅化物虽发生粗化，但体积分数增加可补偿尺寸效应，这一反直觉现象为开发耐650℃的新型钛合金提供了关键理论支撑。研究提出的析出相协同调控策略，可推广至其他高温结构材料的微结构设计。