《Materials Science and Engineering: A》：Tensile and creep properties of casting high Nb-TiAl alloy studied by hot isostatic pressing
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Ti-46Al-5Nb-0.1C合金经热等静压处理后，室温延伸率提升至1.3%，同时高温（800℃）抗拉强度保持稳定。微观分析显示HIP消除了铸造缺陷并形成双相组织（等轴γ晶分布于层状 colony），导致断裂模式由脆性韧窝转向塑性哑铃状断口，显著延长了高温蠕变寿命，塑性贡献占比达81%。该研究为高Nb-TiAl合金航空发动机应用提供了理论支撑。
曹俊|王双赞|左家斌|丁先飞|于文|郭志超|梁永峰|林俊平
北京科技大学先进金属与材料国家重点实验室，中国北京100083
摘要
热等静压（HIP）是一种有效调整合金微观结构和力学性能的方法，也是常用的热加工工艺。然而，关于利用HIP调整高Nb-TiAl合金的研究却很少。本文通过分析铸态和HIP处理后的合金的微观结构特征、拉伸和蠕变断裂形态以及蠕变微观结构，研究了HIP对Ti-46Al-5Nb-0.1C合金在室温（RT）和800°C下的拉伸性能和蠕变性能的影响。结果表明，HIP显著提高了合金在室温下的延展性（高达1.3%），同时保持了较高的抗拉强度。这归因于消除了缩孔等铸造缺陷、增加了γ相的含量，并形成了由等轴γ晶粒分布在层状晶界中的双相微观结构。HIP显著改变了合金的蠕变行为，在HIP合金的蠕变微观结构中观察到了大量的变形孪晶，蠕变断裂表面出现了凹坑，塑性特征明显。HIP处理后的合金蠕变寿命和伸长率延长，在加速蠕变阶段，HIP处理后的合金占据了81%的蠕变寿命。因此，Ti-46Al-5Nb-0.1C合金在服役温度下具有更好的力学性能和蠕变寿命。
引言
作为一种轻质高温结构材料，TiAl合金具有低密度、高比强度、良好的抗氧化性和抗蠕变性，其理论密度约为镍基高温合金的一半，这使得它成为航空发动机减重理想的材料[1]、[2]。随着研究人员对TiAl合金研究的不断深入，其性能和服务温度得到了持续提升[3]、[4]。2006年，第二代γ基TiAl合金Ti-48Al-2Cr-2Nb（含量%未提供）被GE成功应用于飞机发动机的低压涡轮叶片，这也是γ基TiAl合金的首次商业应用[5]、[6]。高Nb-TiAl合金具有优异的高温抗氧化性，进一步提高了其使用温度[1]、[7]、[8]。目前，TiAl合金在航空发动机中的应用温度范围仍在650～750°C之间，但在更高温度甚至900°C下的应用潜力仍然存在[1]、[4]、[9]。然而，TiAl合金本质上是金属间化合物，具有内在的脆性，导致其在室温下也较为脆，这使得加工和成形较为困难[10]、[11]、[12]。目前，TiAl合金主要通过铸造工艺制造[5]、[13]。虽然铸造成本低，但高Nb-TiAl合金的流动性较差，容易产生缩孔和偏析等铸造缺陷，从而降低其性能[14]、[15]。这些因素限制了高Nb-TiAl合金的铸造应用。
热等静压（HIP）可以减少材料中的空洞和微孔，改变微观结构，从而提高产品质量和可靠性[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。因此，HIP广泛应用于铸造、粉末冶金、3D打印等领域[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。多年来，HIP工艺也被用于生产4822合金铸件，以提升部件质量和改善铸造性能[26]、[27]、[28]。然而，关于HIP对高Nb-TiAl合金力学性能影响的研究很少。此外，抗蠕变性对于TiAl合金在高温条件下的使用尤为重要。一些研究表明，微观结构和微观结构的稳定性对高Nb-TiAl合金的蠕变寿命有重要影响[14]、[29]。张等人研究了影响TiAl合金蠕变速率的因素，发现对于具有双相微观结构和近γ微观结构的TiAl合金，晶粒尺寸是蠕变速率的主要限制因素，且晶粒尺寸增大时蠕变速率降低[30]。叶等人对具有双相微观结构的Ti-45Al-8.5Nb-(W, B, Y)合金进行了蠕变研究，并根据应力指数和活化能推断出二次蠕变速率主要受扩散控制机制支配[31]。遗憾的是，关于HIP对高Nb-TiAl合金蠕变性能影响的研究极为罕见。因此，需要进一步探讨HIP对高Nb-TiAl合金拉伸和蠕变性能的影响。
在本研究中，探讨了HIP对Ti-46Al-5Nb-0.1C合金拉伸和蠕变性能的影响。分别在室温（RT）和800°C下进行了拉伸试验，在800°C和300 MPa的高应力下进行了蠕变试验。同时详细分析了合金的微观结构、相组成、拉伸断裂、蠕变断裂及附近的变形微观结构。本研究结果有助于推动高Nb-TiAl合金的工业应用。
材料与方法
本研究使用的Ti-46Al-5Nb-0.1C合金通过冷坩埚感应熔炼制备，除非另有说明，所有成分均为原子百分比。该合金的原材料包括Ti海绵（纯度99.9 wt %）、高纯度Al（纯度99.99 wt %）、Al-75Nb（wt %）和Al-5Ti-1C（wt %）中间合金。为确保合金成分的均匀性，熔炼过程采用正向和反向进行。随后将熔融合金液浇注到模具中...
拉伸性能
图3显示了铸态和HIP处理后的合金在室温（RT）和800°C下的工程应力-应变曲线。如图3c所示，铸态合金的极限抗拉强度（UTS）和总应变（δ）分别为721.5 ± 56.6 MPa和0.71 ± 0.10 %，HIP处理后的合金在室温下的UTS为644.0 ± 13.4 MPa，δ为1.30 ± 0.02 %。与铸态合金相比，HIP处理后的合金抗拉强度提高了10.7%，而应变δ增加了83.1%。
微观结构表征分析
铸态和HIP处理后的合金微观结构如图5所示。铸态合金的微观结构为NL结构，由较大的层状晶界和少量的等轴γ晶粒组成（见图5a）。此外，铸态合金还存在显著的S相和β相偏析，以及大量的缩孔等铸造缺陷。S相偏析是由于凝固过程中Al元素在晶粒间的富集造成的。
结论
本研究探讨了HIP对铸态Ti-46Al-5Nb-0.1C合金拉伸和蠕变性能的影响，系统分析了影响这些性能的机制，得出以下结论：
- (1)
HIP通过消除铸态合金中的缺陷，提高了性能的稳定性，减弱了微观偏析，并促进了相变，形成了双相微观结构。
- (2)
HIP显著提高了合金在室温下的...
作者贡献声明
左家斌：数据验证、调查、数据整理。
于文：数据验证、资金获取。
丁先飞：调查、正式分析。
梁永峰：监督、项目管理、方法论设计、概念构思。
郭志超：方法论设计、数据整理、概念构思。
林俊平：监督、资金获取。
王双赞：调查、数据整理。
曹俊：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、监督、软件应用。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
数据可用性
本文研究未使用任何数据。
致谢
本研究得到了以下项目的财政支持：CPSF博士后奖学金计划（项目编号GZC20250014）、中国先进材料-国家重点科技专项（2025ZD0609101）、国家自然科学基金（52531004）以及宁波市重点研发计划（2024Z104）。
