γ-TiAl合金具有低密度、高比強(qiáng)度、優(yōu)異的高溫抗氧化性能和抗蠕變性能，是650-850℃服役溫度區(qū)間潛在的輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料，在航空航天飛行器、車輛發(fā)動(dòng)機(jī)等耐熱部件具有廣闊的應(yīng)用前景。作為第三代γ-TiAl合金的典型代表，TNM合金(名義成分Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B，at.%) 雖然服役溫度可達(dá)到750℃，但高溫?zé)o序β相冷卻至室溫轉(zhuǎn)變成有序結(jié)構(gòu)的β0相，以塊狀形貌分布在(α2+γ)片層團(tuán)界面，在高溫服役條件下，β0相不僅含量有所增加，而且也會(huì)析出硬脆的ω相，隨著蠕變變形量的累積，硬脆的β0/β0(ω)與周圍的α2 /γ片層應(yīng)變不協(xié)調(diào)導(dǎo)致應(yīng)力集中，為孔洞和裂紋提供形核位置，加劇了蠕變失效。因此，如何調(diào)控β/β0相的尺寸、含量和分布，改善組織穩(wěn)定性一直是γ-TiAl合金領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

日前，西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室寇宏超教授團(tuán)隊(duì)采用粉末熱等靜壓方法成功制備出全片層TNM合金，通過1050℃/2h時(shí)效處理，在α2 /γ片層析出少量彌散細(xì)小的β0相，顯著提高了合金的高溫蠕變性能。相關(guān)工作以題為“The interfacial β0 phase strengthening the creep properties of powder hot isostatic pressing γ-TiAl alloy”發(fā)表在Materials Research Letters上。論文第一作者為博士研究生王藝超，通訊作者為寇宏超教授。

論文鏈接：https://doi.org/10.1080/21663831.2022.2050432

王藝超等人采用1260℃/170MPa/4h粉末熱等靜壓工藝獲得了具有全片層組織的TNM合金，β0和γ相的體積分?jǐn)?shù)分別為0.3%和72.1%，進(jìn)一步1050℃/2h時(shí)效處理后，α2片層界面析出彌散分布的細(xì)小β0相，β0和γ相的體積分?jǐn)?shù)分別達(dá)到1.4%和79.1%，表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫蠕變性能，750℃/250MPa/140h蠕變變形量和穩(wěn)態(tài)蠕變速率分別為1.7%和5.64E-9s-1，分別比熱等靜壓態(tài)低3.2倍(5.4%)和6.3倍(8.89E-8s-1)。

圖1.  (a)熱等靜壓態(tài)BSE圖像；(b)熱等靜壓態(tài)α2/γ片層特征及對(duì)應(yīng)的SAED花樣；(c)時(shí)效態(tài)BSE圖像；(d)時(shí)效態(tài)α2/γ片層界面β0相及對(duì)應(yīng)的SAED花樣；(e)750℃/250MPa/140h條件下的蠕變曲線；(f)穩(wěn)態(tài)蠕變速率比較。

750℃/250MPa/140h蠕變?cè)囼?yàn)后，熱等靜壓態(tài)TNM合金呈現(xiàn)出片層團(tuán)界面動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、片層彎曲及孔洞萌生等嚴(yán)重的組織退化特征，而時(shí)效態(tài)合金則片層團(tuán)完整，片層平直，表現(xiàn)出優(yōu)異的組織穩(wěn)定性。作者發(fā)現(xiàn)，1050℃/2h時(shí)效過程中，TNM合金α2片層的平行分解導(dǎo)致界面β0相呈現(xiàn)“凸”出的形貌，在高溫蠕變過程中，片層界面和片層團(tuán)界面承擔(dān)變形協(xié)調(diào)作用，β0/β0(ω)相不僅能釘扎位錯(cuò)，形成明顯的位錯(cuò)纏結(jié)，而且有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)以及層錯(cuò)和孿晶的擴(kuò)展。另一方面，界面β0相也延緩了α2片層分解速度，使得片層連續(xù)且結(jié)構(gòu)完整，同樣為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、層錯(cuò)和孿晶的擴(kuò)展提供有效的阻礙，大大提升了TNM合金的高溫抗蠕變性能。

圖2. (a)熱等靜壓態(tài)蠕變后BSE圖像；(b, c)時(shí)效態(tài)蠕變后BSE圖像；(d-f)β0/β0(ω)相和α2/γ片層分別與位錯(cuò)的交互作用；(g)兩種組織狀態(tài)的蠕變機(jī)理示意圖。

本文首次報(bào)道了粉末熱等靜壓TNM合金的組織特征及蠕變行為，闡明了界面β0/β0(ω)相對(duì)蠕變性能的強(qiáng)化機(jī)制。采用粉末熱等靜壓及簡(jiǎn)單的熱處理工藝，可以有效調(diào)控β凝固γ-TiAl合金的顯微組織特征，提高合金的組織穩(wěn)定性和抗蠕變性能，為γ-TiAl合金材料的發(fā)展和應(yīng)用提供了新的思路。

本研究工作獲得了國(guó)家科技重大專項(xiàng)(J2019-V1-0011-0125)和凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題(2020-TZ-03)的支持。