TiAl合金具有輕質、高比強、良好的高溫抗氧化性和蠕變抗力等系列優異特性，在航空材料領域展現出令人矚目的發展前景，目前已在波音787飛機GEnxTM-1B發動機最后兩級低壓渦輪葉片實現了初步應用。然而TiAl合金室溫塑性差和高溫強度不足兩個瓶頸難題限制了其在新一代高推重比航空發動機上的更廣泛應用。在TiAl合金中引入兼具金屬和陶瓷雙重優異特性的MAX相—Ti2AlC有望改善TiAl合金性能。但現有Ti2AlC/TiAl復合材料室溫塑化和高溫強化效果遠未達到預期的水平。

針對TiAl合金室溫缺乏獨立滑移系統和高溫晶界軟化的瓶頸難題，基于多級異構組織強韌化思想，河南科技大學柳培副教授聯合北京科技大學葉豐教授對Ti2AlC/TiAl復合材料進行了多尺度微觀組織調控：通過兩步燒結法在TiAl晶界處原位自生形成微米Ti2AlC網狀結構（網徑~132 μm, 厚度~5 μm）并將TiAl基體調控成γ-TiAl/α2-Ti3Al片層結構（間距~0.149 μm），進一步通過熱處理實現了高密度針狀Ti2AlC納米析出相（厚度~6 nm，密度~1.2×1023 m-3）在γ-TiAl晶內的定向分布。該復合材料兼具優異的室溫強度-塑性匹配關系（室溫壓縮強度~2336 ± 4MPa，斷裂應變~33% ± 1%）和高溫性能（850℃壓縮強度721 ± 5MPa，與TiAl合金750℃壓縮強度相當）。利用先進的3D-APT、TEM/HRTEM、第一性原理計算、原位SEM等手段揭示了復合材料微觀組織和強韌化機制。本研究工作為高性能TiAl基復合材料的工程應用及發展提供了新的思路。

相關研究成果以題為“Hierarchically heterogeneous strategy for Ti2AlC/TiAl composite with superior mechanical properties”發表在復合材料領域頂級期刊《Composites Part B：Engineering》（影響因子：13.1）。河南科技大學柳培副教授為第一作者和通訊作者，碩士研究生王振博為共同第一作者，北京科技大學葉豐教授為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金和新金屬材料國家重點實驗室開放基金的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111259

本文亮點

（1）基于“兩步燒結+熱處理”技術，設計構筑了一種多級異構Ti2AlC/TiAl復合材料（γ-TiAl/α2-Ti3Al片層團晶界分布微米Ti2AlC網狀結構，γ-TiAl晶內分布高密度針狀Ti2AlC納米析出相），其優異的室溫應變硬化能力和高溫強化效果來源于納米Ti2AlC、微米Ti2AlC、網狀結構和TiAl基體的協同作用。

（2）創新性發現納米Ti2AlC可優化γ-TiAl的本征變形機制：室溫壓縮條件下納米Ti2AlC能夠誘導γ-TiAl形成一級納米孿晶并隨后產生二級孿晶，為γ-TiAl室溫變形提供了額外的滑移系；高溫壓縮條件下納米Ti2AlC能夠阻礙γ-TiAl晶內變形孿晶的擴展路徑，提升了高溫強化效果。

（3）揭示了復合材料中微米Ti2AlC網狀結構的變形機制：室溫壓縮條件下微米Ti2AlC能夠形成基面位錯、錐面位錯和位錯胞，Ti2AlC網狀結構能夠阻礙裂紋的擴展，促進協調變形和應變離域化；高溫壓縮條件下微米Ti2AlC能夠形成高密度的位錯纏結，Ti2AlC網狀結構能夠抑制晶界的軟化，促進高溫強度提升。

圖文解析

圖1. 多級異構Ti2AlC/TiAl復合材料的微觀結構表征

(a1)~(a3) SEM形貌及片層大小、厚度分布；(b) XRD圖譜；(c)元素面掃描分布圖；(d1)~(d2) 元素點掃描分布圖；(e)~(g) EBSD分析圖

圖2. 微米Ti2AlC和納米Ti2AlC的TEM圖像及3D-APT分析

(a1)~(a4) 微米Ti2AlC和TiAl基體界面的TEM圖像、界面位向關系及原子結構；(b1)~ (b4) 納米Ti2AlC和TiAl基體界面的TEM圖像、界面位向關系及原子結構；(c)~(d) 納米Ti2AlC的3D-APT原子重構圖及元素分布圖

圖3. 多級異構Ti2AlC/TiAl復合材料及TiAl合金的室溫和高溫壓縮性能分析

(a) 室溫工程應力應變曲線；(b1)~(b2) 真應力應變曲線及相應的應變硬化率曲線；(c) 多級異構Ti2AlC/TiAl復合材料與其他TiAl合金及復合材料的室溫壓縮性能對比；(d) 高溫工程應力應變曲線；(e) 多級異構Ti2AlC/TiAl復合材料與其他TiAl合金及復合材料的高溫壓縮性能對比

圖4. 多級異構Ti2AlC/TiAl復合材料在不同室溫壓縮應變下γ-TiAl基體的變形特征

(a1)~(a5) 納米Ti2AlC誘導γ-TiAl形成納米孿晶的TEM圖像及GPA應變圖；(b) 第一性原理模型建立；(c) Ti2AlC/TiAl界面滑移和TiAl內部晶體滑移的廣義層錯能曲線；(d) Ti2AlC/TiAl界面差分電荷密度圖；(e)一級納米孿晶和二級納米孿晶交互作用的TEM圖像；(f1)~(f7)含有扭結的納米孿晶界誘導層錯的HRTEM分析和GPA應變圖；(g1)~(g4) 一級納米孿晶誘導產生二級納米孿晶的HRTEM分析和GPA應變圖

圖5. 多級異構Ti2AlC/TiAl復合材料在750℃壓縮變形時γ-TiAl基體的變形特征

(a) TiAl基體中變形孿晶交互和納米Ti2AlC作用的TEM圖像；(b1)~(b5) 變形孿晶交互的HRTEM圖像；(c1)~(c3) 轉動晶粒的IFFT圖像及形成示意圖；(d1)~(d3) 圖5(b1)中藍色區域的TEM圖像和GPA應變圖；(e1)~(e3)圖5 (b1)中綠色區域的TEM圖像和GPA應變圖

圖6. 多級異構Ti2AlC/TiAl復合材料中微米Ti2AlC在室溫和高溫條件下的變形特征

(a1)~(b3) 微米Ti2AlC室溫壓縮過程中產生基面位錯與錐面位錯的TEM圖像和GPA應變圖；(c1)~(d3)微米Ti2AlC中室溫壓縮過程中由位錯反應引起位錯胞形成的TEM圖像和GPA應變圖；(e)~(f4) 微米Ti2AlC高溫壓縮過程中位錯纏結和界面孿晶受阻的TEM圖像和GPA應變圖

圖7. 多級異構Ti2AlC/TiAl復合材料和TiAl合金在室溫和750℃壓縮變形下的微觀組織演變

(a1)~(a3)復合材料在室溫壓縮變形下的微觀組織演變；(b1)~(b3) TiAl合金在室溫壓縮變形下的微觀組織演變；(c1)~(c2)復合材料在高溫壓縮變形下的微觀組織演變；(d1)~(d3) TiAl合金在高溫壓縮變形下的微觀組織演變

圖8. 多級異構Ti2AlC/TiAl復合材料變形過程示意圖

結論展望

綜上所述，本文制備了一種多級異構Ti2AlC/TiAl復合材料，即γ-TiAl/α2-Ti3Al片層團晶界分布微米Ti2AlC網狀結構，γ-TiAl晶內分布高密度針狀Ti2AlC納米析出相，該復合材料表現出優異的室溫強度-塑性匹配關系和高溫強度。通過先進表征手段揭示了復合材料優異的室溫應變硬化能力來源于：i) 納米Ti2AlC析出相誘導TiAl形成一級納米孿晶并隨后產生二級孿晶；ii)微米Ti2AlC形成基面位錯、錐面位錯和位錯胞；iii) 微米Ti2AlC網狀結構對裂紋的阻礙；復合材料優異的高溫強度來源于：i) 納米Ti2AlC析出相阻礙變形孿晶的擴展；ii) 微米Ti2AlC中高密度的位錯纏結；iii) 微米Ti2AlC網狀結構抑制晶界的軟化。這種多級異構的設計策略可為新一代TiAl基復合材料的開發應用提供理論依據和技術支撐。