硅化物重新分布机制提升了粉末冶金近α钛合金的延展性，并使其具有稳定的加工硬化行为

《Materials Science and Engineering: A》：Silicide redistribution enabling ductility enhancement and stable work-hardening behavior in powder-metallurgy near-α Ti alloys

钛合金硅化物强化与热加工协同效应研究。通过火花等离子烧结制备TA15-1Si合金，采用热轧工艺调控晶界硅化物分布，形成均匀内晶硅化物相，实现抗拉强度1185MPa与均匀延伸率5.33%的强度韧性协同优化，揭示热变形促进硅化物再分配的机制。

　　

唐思思|苏金龙|韩勇|吕永琦|范静莲

中南大学粉末冶金国家重点实验室，中国长沙，410083

摘要

硅化物增强的近α钛（Ti）合金由于其卓越的高温蠕变抗力和出色的氧化稳定性，成为有前景的高温结构材料。然而，由于室温下的低延展性和不稳定的加工硬化行为，它们的更广泛应用受到了显著限制。这一限制主要是由于硅化物在晶界处的聚集，这会导致应力集中并引发过早失效。为了解决这一挑战，本文采用了一种结合了火花等离子烧结（SPS）和热轧的策略，以调整TA15-1Si合金（Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V-1Si，重量百分比）中的硅化物分布。系统研究了不同的轧制减量（0%、40%和60%）对SPS制备的TA15-1Si合金的硅化物特性（包括其形态、组成、体积分数和空间分布）以及由此产生的力学性能的影响。值得注意的是，热轧显著增加了晶内硅化物的体积分数（即减少了晶间硅化物），促进了硅化物的均匀沉淀和重新分布。这种微观结构优化策略显著提高了延展性并稳定了加工硬化行为，同时保持了高强度，实现了5.33%的均匀伸长率以及1185 MPa的高极限抗拉强度，与SPS制备的TA15-1Si合金相比，延展性提高了约58%。稳定的加工硬化行为源于硅化物的均匀分布，这减轻了应变局部化并增强了位错存储能力，从而促进了晶间断裂并实现了均匀的应变分布。总体而言，所提出的方法为含硅化物的高性能钛合金的开发建立了一种通用的微观结构设计方法。

引言

钛（Ti）及其合金因其出色的比强度、优异的耐腐蚀性和卓越的机械性能而受到广泛关注，使其在航空航天、汽车、生物医学和国防工业中得到广泛应用[1]、[2]、[3]。在钛合金中，近α TA15合金（Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，重量百分比）在强度、延展性和耐热性方面表现出良好的平衡，使其成为苛刻条件下的理想结构材料[4]、[5]。然而，由于钛合金微观结构设计的固有权衡，要在不牺牲延展性的情况下追求更高的强度仍然具有挑战性[6]。

硅（Si）是钛合金中众所周知的合金元素，它在高温下提供了优异的强化效果、蠕变抗力和抗氧化性[7]、[8]。通过战略性添加元素来调整机械和化学性能的方法是先进合金设计的基石[9]、[10]、[11]。与其他常见的β稳定元素（如Mo或V）相比，Si结合了强大的固溶强化效应和形成热稳定硅化物沉淀的能力[12]、[13]。在固溶状态下，Si原子与位错强烈相互作用，形成Cottrell气氛，阻碍了位错的运动[14]、[15]。当Si含量超过溶解度极限时，会形成Ti₅Si₃型等硅化物相，这些相在高温下抑制了晶粒和晶界的滑动，从而提高了热稳定性和强度[16]、[17]。因此，硅化物增强的钛合金代表了下一代高性能材料的一个有前景的方向[18]、[19]。然而，脆性的硅化物与较软的钛基体之间的固有刚度不匹配导致在其界面处产生应力集中，这严重影响了延展性，限制了其更广泛的结构应用[20]。

现在人们普遍认识到，硅化物的体积分数、尺寸和空间分布对硅化物增强钛合金中的应力集中程度和机械性能起着关键作用[21]、[22]。这些第二相的沉淀动力学受到热力学驱动力和原子扩散的复杂相互作用的影响[23]。特别是，通过火花等离子烧结（SPS）制备的含Si量超过约0.9重量百分比的钛合金通常由于溶质偏聚和界面能量最小化而在晶界处形成粗大、聚集的硅化物[17]。虽然这种局域化的晶界硅化物改善了高温机械性能，但严重限制了室温下的延展性[24]。相比之下，晶内硅化物的沉淀已被证明能更有效地强化基体同时保持延展性[25]、[26]。后续的热机械处理（如轧制）被提出作为一种有效策略，通过分解过饱和的Ti（Si）固溶体和促进缺陷增强扩散来驱动硅化物的沉淀和空间重新分布[27]、[28]、[29]。选择热轧是因为它能够施加大的、均匀的塑性应变，这对于有效破碎晶界硅化物聚集体和系统研究轧制减量如何控制微观结构演变至关重要。

为了满足结构部件的复杂机械要求，合金必须在强度和延展性之间取得平衡[30]、[31]、[32]。通常通过减少位错的平均自由路径来提高强度，而延展性则取决于材料存储和增殖位错的能力[33]、[34]。最近的研究表明，通过热机械处理调整硅化物的特性（尺寸、体积分数和分散度）为实现这种平衡提供了有希望的途径[16]、[35]。例如，郭等人[16]成功地利用热轧调节了高Si钛合金（如Ti-6Al-4Zr-0.5Mo-0.6Si）中的硅化物尺寸和分布，产生了纳米级、均匀分布的硅化物，从而提高了整个温度范围内的强度和延展性。然而，对SPS制备的含Si钛合金的变形后处理的系统研究仍然有限。传统的粉末冶金方法（如SPS）可以生产高性能的含Si近α钛合金[5]、[36]、[37]。然而，它们对硅化物的空间分布控制较少，这通常导致晶界聚集和室温脆化——这是一个限制其更广泛应用的关键技术缺陷。我们之前的工作表明，通过SPS制备的TA15-1Si合金具有优异的高温机械性能，但室温延展性较差，从而限制了其工业应用[22]。更根本的是，热机械处理参数（如轧制减量）与所得硅化物特性之间的定量关系尚未得到充分探索。这一知识空白扩展到了这些微观结构修改如何影响变形机制、加工硬化行为以及硅化物增强钛合金中的强度-延展性协同作用。

为了解决硅化物增强钛合金在室温下的脆化问题，本研究提出热轧可以从有害的晶界硅化物网络基本转变SPS制备的TA15-1Si合金中的硅化物分布，从而激活协同的强度-延展性机制。本研究系统研究了轧制减量对硅化物特性及其空间重新分布的影响，旨在定量关联这些微观结构变化与所得的抗拉性能和加工硬化行为。通过这种方法，我们试图揭示潜在的变形机制，并建立一种微观结构设计策略，以实现高温钛合金中的最佳强度-延展性平衡。

材料制备

最初的TA15-1Si合金（以下简称1Si合金）样品是采用低能量球磨后进行火花等离子烧结（SPS）制备的。具体来说，商业TA15合金粉末（名义成分：Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，重量百分比；纯度：99.9%；粒径：约30.2 μm）和Si粉末（纯度：99.9%；粒径：约2.2 μm）在150 r/min的速度下通过行星球磨混合10小时。均匀混合后的粉末通过火花等离子烧结（SPS，HPD25，FCT Systeme）进行固化

SPS制备的TA15-1Si合金在轧制过程中的微观结构演变

图2展示了不同轧制减量下1Si合金的微观结构演变。SPS制备的1Si-R0合金具有典型的Widmanst?tten结构，其特征是层状的α+β相和连续的晶界α（GB α）相（图2a和b）。尽管在β相区域（1050 °C）进行了热轧，1Si-R40和1Si-R60样品的微观结构仍然主要是Widmanst?tten结构（图2c和e）。然而，热轧引入了不同的晶粒形态

热轧对TA15-1Si合金基体微观结构的影响

TA15-1Si合金的基体微观结构具有典型的α + β两相结构。从高温冷却过程中，β → α相转变通常遵循Burgers取向关系（BOR），该关系定义了母体β相和产物α相之间的特定晶体学对齐[55]。众所周知，塑性变形过程（如轧制）可以破坏这种BOR[56]。这种破坏会阻碍位错滑移的传递

结论

在这项工作中，研究了变形后（即热轧）对火花等离子烧结（SPS）制备的近α钛合金的硅化物特性和机械性能的影响，特别是含有1重量百分比硅（Si）的TA15合金。对微观结构、硅化物形态和分布、抗拉性能、断裂行为以及控制强度-延展性协同作用的机制进行了全面研究。主要结论是

CRediT作者贡献声明

吕永琦：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，资金获取。范静莲：验证，监督，资源提供，资金获取。韩勇：监督，方法论。唐思思：撰写 – 原始草稿，方法论，研究，数据分析，概念化。苏金龙：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

利益冲突声明

?作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了湖南省自然科学基金（授权号：2023JJ40353）和国家重点研发计划（2019YFE03120001）的支持。