由于钛铝化物（TiAl）合金具有低密度和优异的物理机械性能，在航空航天和汽车工业中显示出广阔的应用前景。为了满足复杂服役环境下日益严格的机械强度要求，研究人员通过在TiAl基合金中添加β稳定元素（如Nb、Mo和V）来提高合金性能[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。其中，Ti?AlNb合金因其出色的综合性能而受到广泛关注。它是一种新兴的轻质高温合金，密度仅为5.3 g/cm3，具有优异的比强度。该合金具有优异的蠕变抗力和抗氧化性[7,8]。其典型的微观结构包括双相、层状和等轴形态[9]。在航空航天领域，Ti?AlNb合金有潜力替代镍基超合金。Ti?AlNb合金通常由B2相、O相和α?相组成[[10], [11], [12], [13]]，其中α?相的比例相对较低[[14], [15], [16]]。B2相具有有序的体心立方（BCC）晶体结构，表现出优异的延展性，从而提高了合金的塑性。相比之下，O相具有正交晶体结构，虽然强度较高，但脆性较大，是合金的增强相[[17], [18], [19]]。在热处理过程中，O相从B2基体中析出，通常形成层状或针状形态。此外，O相的形成与Nb浓度密切相关[[20], [21], [22]]。O相的不同形态显著影响合金的机械性能。拉伸实验研究了不同O相形态对合金变形行为的影响，层状O相会在与B2相的界面附近诱发位错并引发裂纹。而等轴O相的合金可以激活多个滑移系，滑移线可能穿过、绕过或被O相阻挡，表明这两种相之间的变形相容性良好[23]。
事实上，多相合金是一类常见的金属材料，其中不同相在决定机械性能和变形机制中起着不同的作用。郭等人对Ti-38Al-15Nb-0.1B合金进行了微柱压缩实验，研究了ω相对微柱塑性变形的影响[24]。他们的结果表明，ω相具有最高的硬度，其塑性变形主要通过多个滑移系的协同激活来实现，包括棱柱滑移、金字塔滑移和棱角带的形成。本研究阐明了ω相在TiAl合金中的强化效应及其背后的变形机制。郑等人研究了γ/α?相及其界面对TiAl合金横向振动磨损的影响，发现磨损引起的相界交叉会破坏界面凝聚力并削弱界面强化[25]。朱等人通过电沉积在铜箔上制备了类似珊瑚结构的SeSb合金，证明形成的三元SeSbCu相起到了粘合剂的作用，增强了界面的粘附性，并在循环过程中抑制了电极的结构分层[26]。白等人利用分子动力学模拟研究了双相界面对镍基合金力学行为和变形机制的影响，发现γ′相具有较低的原子势能、较高的稳定性以及在变形过程中有限的晶界迁移[27]。张等人开发了一种用于强化铁素体/马氏体钢的双相涂层。FeCrAlWx高熵合金涂层的相结构从单一的BCC相转变为含有纳米级富Al的FCC次级沉淀物的BCC基体。通过调整钨含量，可以调控次级相的直径和分布，从而提高合金的强度和延展性[28]。铃木等人利用基于位错密度的晶体塑性建模研究了双相钢的尺寸依赖性力学行为[29]。他们的结果表明，作为主要强化成分的马氏体相始终产生较高的应力水平，并且与铁素体基体相比表现出更明显的尺寸依赖性。此外，随着铁素体晶粒尺寸的减小，马氏体对整体变形的贡献增加。郑等人利用晶体塑性模拟研究了马氏体-铁素体双相钢的微观塑性行为。他们的结果表明，在加载-卸载循环过程中，铁素体相会发生微观塑性变形，导致材料的弦模量增加[30]。这些研究共同表明，多相合金与单相体系具有显著不同的特性。
如前所述，O相是Ti?AlNb合金中的关键强化相[[31], [32], [33]]。其体积分数、形态和尺寸显著影响合金的机械性能。在变形过程中，B2相的变形能力大于O相，导致相界处的应变不兼容性和显著的残余应力积累。为了减轻界面裂纹，O相会发生逆向塑性变形，从而增加位错密度[34]。Polozov等人证明，Ti-22Al-25Nb合金的拉伸性能随着O相含量的增加而显著提高[35]。林等人研究了Ti?AlNb合金在高温拉伸试验中的微观结构演变，发现O相的粗化、球化和碎裂等微观结构不稳定性，这些现象在变形过程中加剧，导致多种裂纹模式的产生[36]。黄等人研究了O相形态对机械性能的影响，发现更细的微观结构更容易发生蠕变失效。在双时效条件下，5%蠕变应变时通道内的位错运动受到阻碍；随着蠕变变形的加剧，位错会穿过相界并扩展到O相中[37]。张等人通过将喷丸处理引入传统的激光沉积技术成功制备了Ti?AlNb合金[38]，他们的研究表明，细化的等轴晶粒与优化的O+B2双相微观结构显著抑制了裂纹的萌生和扩展过程。此外，研究还证实，较高的位错密度和更细的再结晶晶粒显著增强了合金的强度。这些发现强调了次级相对材料性能和变形行为的显著影响，强调了在任何关于Ti?AlNb合金的综合性研究中纳入O相的必要性。
另一方面，目前关于Ti?AlNb合金的尺寸效应的研究仍然不足，特别是在其机械响应和变形特性方面。Paradkar等人研究了断裂韧度的尺寸效应，发现晶粒尺寸通过改变裂纹尖端的塑性区来影响内在断裂韧性。中等晶粒尺寸的合金表现出最高的断裂韧性。此外，增加Nb和Al的含量可以提高断裂韧性[39]。然而，关于Ti?AlNb合金的微观尺度尺寸效应的研究仍然不足。需要进一步专注于微观结构影响的尺寸效应的研究，以揭示B2相和O相之间的相互作用机制。
总之，目前对Ti?AlNb合金中B2相和O相之间相互作用和变形行为的理解还不够充分，特别是在单晶微柱的尺寸效应和B2相与O相之间的滑移传递行为方面。因此，本研究通过室温下的微柱压缩实验和双相晶体塑性模拟，研究了三种尺寸Ti?AlNb微柱的整体压缩变形行为、尺寸效应以及B2相和O相之间的滑移系相互作用。本文的结构如下：第2节描述了材料和实验程序；第3节介绍了晶体塑性模拟方法和模型开发；第4节讨论并分析了结果；第5节总结了本研究的主要结论。
