近α高温钛合金凭借高比强度、优异的疲劳性能和耐腐蚀性能，成为航空发动机叶片、盘件及机匣等核心热端部件的首选材料。为进一步提升其服役温度，工业界通常添加硅（Si）提高高温蠕变抗力，添加铝（Al）作为 α 相稳定剂增强高温强度。然而，Si 和 Al 的引入不可避免地会析出硅化物和 α₂(Ti₃Al) 相，这两类析出相在带来强化效果的同时，往往会显著降低合金的室温塑性，成为长期制约近 α 高温钛合金发展的 “强塑性矛盾” 瓶颈。

近日，太原理工大学张长江教授团队联合燕山大学张树志教授、奥克兰大学 Peng Cao 教授在材料领域顶级期刊《Scripta Materialia》发表最新研究成果"Plastic slip mechanisms in high-temperature titanium alloys: Insights into silicide and Ti3Al precipitates on ductility"，通过精准调控 Al/Zr 元素比，设计出分别以硅化物和 α₂相为主要析出相的两种近α 高温钛合金，系统揭示了两类析出相对位错滑移机制的差异化调控规律，为实现高温钛合金强度与塑性的协同提升提供了全新的设计思路。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2024.116412

【主要内容】

① 合金设计：Al/Zr 比调控析出相类型基于[Al]eq 和 [Mo]eq 合金设计准则

研究设计了两种成分相近，但Al/Zr比差异显著的近α高温钛合金：Ti-6Al-3Sn-9Zr-1Nb-1Mo-1W-0.4Si（Ti-69）和 Ti-7Al-3Sn-4Zr-1Nb-1Mo-1W-0.4Si（Ti-74）。微观结构表征结果显示，高Zr低Al的Ti-69合金中，大量 S₂型硅化物析出在 α/β 相界面和α晶界处，平均粒径约为0.22μm。高分辨 TEM 分析表明，硅化物与 α 基体之间不存在共格或半共格界面，位错倾向于在硅化物/基体界面处聚集。而Ti-74 合金中，由于Zr量降低，硅化物的体积分数显著减少，但大量纳米级α₂相均匀弥散析出在α基体内部，平均尺寸仅为4.85nm。选区电子衍射和高分辨TEM证实，α₂相与α基体遵循Burgers 取向关系，其周围存在明显的晶格畸变和位错缠结。

 Ti-69 合金微观结构

Ti-74 合金显体结构

② 力学性能：强度相近但塑性差异悬殊

Ti-69合金的抗拉强度为1268.4MPa，延伸率达到12.2%；而 Ti-74合金的抗拉强度略高，为1310.8MPa，但延伸率仅为 3.8%，不足Ti-69 的三分之一。断口分析进一步证实，Ti-69合金呈现典型的韧性断裂特征，而Ti-74合金则表现为脆性断裂。与已报道的多种近α钛合金和钛基复合材料相比，经过等温多向锻造处理的Ti-69 和 Ti-74 合金均展现出更高的强度水平，其中Ti-69合金更是实现了强度与塑性的优异协同，其综合力学性能优于大多数同类型合金。

室温应力-应变曲线

③ 析出相决定滑移系统的激活优先级为阐明塑性差异的内在机制

Ti-69合金在拉伸变形过程中，锥面<c+a>滑移系统的平均Schmid因子高达 0.43，成为主导的变形机制。锥面<c+a>滑移能够有效协调钛合金六方晶体结构的c轴变形，满足Von-Mises塑性准则，从而使变形能够在整个基体中均匀传递，避免了应力的局部集中。而Ti-74合金则以基面滑移为主，其平均Schmid 因子为 0.44，而棱柱面滑移和锥面<c+a>滑移的平均 Schmid 因子仅为0.28和0.31，均受到显著抑制。TEM的 g・b 不可见性判据分析进一步证实，Ti-74合金中主要存在型和<c>型位错，而能够协调 c 轴变形的 <c+a> 型位错极为稀缺。

滑移机制

研究团队提出了析出相调控塑性滑移的物理模型：在Ti-69 合金中，分散分布在晶界和相界面处的纳米硅化物能够有效阻碍基面滑移的传播，迫使位错激活更高临界分切应力的锥面<c+a>滑移系统。非基面滑移的大量参与使得变形更加均匀，显著降低了微裂纹萌生的概率，从而大幅提升了合金的塑性。而在Ti-74合金中，均匀弥散分布的纳米α₂相作为位错运动的强障碍，不仅阻碍了位错的滑移，还抑制了位错的交滑移过程，诱导了平面滑移的发生。大量型位错在基面积累形成位错墙，导致变形高度局域化，最终在应力集中处萌生微裂纹并快速扩展，造成合金的早期脆性断裂。

拉力试验中位错与析出物相互作用的示意图

【总结与展望】

研究通过精准调控 Al/Zr 元素比，实现了近 α 高温钛合金中硅化物和 α₂相析出行为的可控调制，首次清晰揭示了分散的硅化物能够激活锥面<c+a>滑移，促进变形均匀化，从而提升合金塑性；而纳米α₂相则会诱导平面滑移，促进基面滑移，导致塑性显著下降。这一发现打破了 “析出相必然降低塑性” 的传统认知，为近α高温钛合金的强塑性协同设计提供了全新的策略。未来，通过进一步优化析出相的尺寸、分布和体积分数，有望开发出兼具更高强度、更高塑性和更高服役温度的新一代高温钛合金，满足航空航天等高端装备对高性能结构材料的迫切需求。