新型近α高温钛合金在固溶处理过程中的微观结构演变及其对700°C下拉伸性能的影响

《Materials Science and Engineering: A》：Microstructure evolution during solution treatment and its effect on the tensile properties at 700 °C of a novel near-α high temperature titanium alloy

近α高温钛合金Ti-5.8Al-4.0Sn-4.0Zr-0.31Nb-0.62Ta-1.26W-0.4Si通过热加工和时效处理优化显微组织，在700℃下实现576.2 MPa强度与22.3%延伸率的协同性能，归因于纳米级硅化物析出和界面阻碍效应。

　　

姚斌|韩振华|刘彦昌|李梦瑶|龚青青|范晓宇|魏冉

西安工业大学材料科学与工程学院，中国西安710048

摘要

为了在700°C下实现钛合金高强度与高塑性的协同结合，设计了一种新型近α高温钛合金Ti–5.8Al–4.0Sn–4.0Zr–0.31Nb–0.62Ta–1.26W–0.4Si。通过热锻造和热处理对其微观结构进行了优化，并系统研究了其微观结构演变过程。结果表明，随着溶解温度从950°C升高到1050°C，初级等轴α相（α_p）的体积分数减小，而转变后的β相（β_t）和次级层状α相（α_s）的体积分数增加。微观结构从主要以等轴α相为主逐渐转变为层状结构。在700°C下进行的拉伸试验表明，在α+β区域上半部分（1000°C）溶解处理的样品表现出优异的强度和塑性组合，其抗拉强度达到576.2 MPa，同时保持22.3%的伸长率。这种优异的机械性能归因于精细的α_p和β_t相。细小的α_s层状结构阻碍了位错的运动，而界面钉扎效应以及分散的S₂硅化物沉淀物的定向排列共同起到了协同强化作用。

引言

随着先进航空航天推进系统的快速发展，对高性能轻质材料的需求显著增加。近α高温钛合金因其在高温下具有出色的强度、热稳定性和高比强度，在航空发动机、燃气轮机和热交换器等关键部件中展现出巨大的应用潜力[1]、[2]、[3]。

在各种合金体系中，Ti–Al–Sn–Zr–Mo–Si体系因其600至700°C范围内的优异机械性能而成为研究焦点[4]、[5]。例如，IMI-834合金（Ti–5.8Al–4Sn–3.5Zr–0.7Nb–0.5Mo–0.35Si-0.06C）在600°C时的抗拉强度约为585 MPa[6]。此外，通过调整成分（如添加W、Ta和Nb元素）来调节堆垛错能（SFE），可以进一步提高其高温机械性能。例如，Ti–5.6Al–3.8Sn–3.2Zr–0.5Mo–0.35Si–1.0Ta–0.4Nb合金和Ti-5.9Al-4.0Sn-3.5Zr-0.3Mo-0.3Nb-2.0Ta-0.4Si-0.8W-0.06C合金在600°C和650°C时的抗拉强度分别达到约686 MPa和743 MPa[7]、[8]。甚至Ti–5.86Al–3.69Sn–3.56Zr–0.99Mo–0.36Nb–0.38Si–0.18Ta合金在700°C时的抗拉强度达到545 MPa，同时保持约15.5%的伸长率[9]。Ti–Al–Sn–Zr–Mo–Si体系的优异高温机械性能归因于Zr和Si之间的协同作用，这主要体现在固溶强化和第二相强化上。后者源于S₁-型（Ti, Zr）₅Si₃和S₂-型（Ti, Zr）₆Si₃等硅化物沉淀物的形成[10]、[11]。此外，通过热机械加工（如锻造和轧制）后进行热处理被认为对提高相应合金的高温机械性能起着重要作用。这种优化包括获得纳米沉淀相和超细晶粒、构建多尺度网络以及设计异质结构等[12]、[13]。

在本研究中，通过成分优化开发了一种新型近α钛合金Ti-Al-Sn-Zr-Nb-W-Ta-Si-C。其中，Al和Sn作为α稳定剂，通过固溶作用增强基体[14]、[15]；Zr减缓了原子迁移，提高了高温下的塑性[16]、[17]；Nb、W和Ta同时稳定了β相和α/β界面[17]、[18]、[19]；此外，Nb还提高了合金的抗氧化性[18]。Si促进了(Ti, Zr)₆Si₃硅化物的形成，进一步阻碍了位错运动和晶界迁移[4]、[10]、[11]、[16]。值得注意的是，与传统的近α高温钛合金不同，本合金配方中未添加Mo元素。这是因为Mo在近α钛合金中的扩散率较高，原子迁移速度比Nb和Ta快[20]，这可能导致Mo在α/β界面和晶界处偏聚，从而加速界面粗化和晶界迁移，以及在高温变形过程中的相不稳定。通过热锻造和热处理进一步调整了合金的微观结构，并对其微观结构演变进行了系统研究，评估了700°C下的变形行为和拉伸性能，并详细讨论了相应的内在变形机制。

合金制备

近α高温钛合金Ti-5.8Al-4.0Sn-4.0Zr-0.31Nb-0.62Ta-1.26W-0.4Si-0.06C（重量百分比）采用真空电弧熔炼法制备。化学成分见表1。详细的合金成分设计策略见补充材料。

热锻造和热处理

采用差示扫描量热法（NETZSCH DSC 200 F3）测定了合金的加热曲线，结果显示其β相转变温度（T_β）约为1025°C（图1c）。

锻造态合金的微观结构

图2展示了锻造态样品的初始微观结构，主要由均匀分布的等轴α相（α_p）和少量不连续分布的β相组成（图2a和b）。具体来说，β相仅出现在α_p的晶界处（图2c和f）。这种微观结构可以解释为在α+β相区域经过锻造过程形成的，与先前的研究结果一致[21]。

热处理过程中的微观结构演变

如上所述，热处理后的合金微观结构主要由α相、β相和S₂沉淀物组成。然而，在不同的热处理条件下，各组分的分布、尺寸和密度存在显著变化。图7展示了不同热处理条件下合金的微观结构演变。HT1和HT2样品的溶解温度位于α+β双相区域内，部分α_p相发生了转变。

结论

本研究开发了一种新型近α高温钛合金（Ti–5.8Al–4.0Sn–4.0Zr–0.31Nb–0.62Ta–1.26W–0.4Si），并通过热锻造及随后的固溶和时效处理优化了其微观结构。系统研究了固溶处理过程中的微观结构演变及其对700°C下拉伸性能的影响。

CRediT作者贡献声明

刘彦昌：资金获取、数据分析。 姚斌：撰写初稿、数据分析。 韩振华：撰写与编辑、撰写初稿、数据分析。 魏冉：撰写与编辑、撰写初稿、资金获取。 范晓宇：数据分析。 龚青青：方法论研究、数据分析。 李梦瑶：数据分析。

数据获取

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52101053）、河南省自然科学基金（项目编号：232300421342）以及宁夏自然科学基金（项目编号：2024AAC02087和2025AAC020100）的支持。