近日，哈尔滨工业大学流体高压成形技术研究所以Ti60高温钛合金为目标材料，提出了一种界面工程方法：快速加热及时效处理（RHA）。通过快速加热（100 ℃/s）及快速冷却形成高密度多取向界面，构建由亚微米级片层α相（α_m）、纳米级片层α相（α_n）及多尺度硅化物组成的非均质结构，相较于原始等轴组织材料，处理后Ti60合金在600 ℃及室温抗拉强度分别提升45.0%与19.6%，600 ℃、300 MPa蠕变持久寿命由33.8小时显著延长至105.8小时。该性能突破主要源于单相区快速加热避免β相粗化，时效后形成的不同层级片层α相与多尺度硅化物共同实现界面强化效应，非均质α_m与α_n相良好的变形协调性解决传统单相区热处理后塑性消失难题。本研究为充分释放现有钛合金在极端温度应用场景中的潜力提供了新策略。

相关研究成果以“Enhancement of high-temperature performance in titanium alloys through rapid heating: A novel boundary engineering approach”发表在国际知名期刊《Journal of Materials Science & Technology》上。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030225005614

高温钛合金凭借其优异的比强度、耐腐蚀性、高温性能及抗蠕变性能等优势，已成为航空航天领域极具竞争力的材料选择，其应用水平更是现代航空发动机性能的重要标志。随着新一代航空航天器的深入发展，对材料服役温度与综合性能的要求不断提高，但如何提升钛合金的高温服役性能仍面临巨大挑战。传统性能提升策略依赖复杂的合金设计手段，包括引入昂贵的β稳定元素（W、Nb、Ta）或精确调控现有元素配比。由于多元交互的复杂性，此类优化过程需耗费漫长的研发周期与巨额资金投入。同时，高密度合金元素的添加易引发偏析问题，迫使采用更加先进的熔炼技术，其能耗显著高于传统工艺。这些冶金学解决方案不可避免地导致材料成本与制造复杂度的大幅攀升。尤为重要的是，现阶段商用钛合金长时服役温度一般不会超过600 ℃，且热稳定性要求难以保障。因此，探索创新技术以深度开发现有成熟钛合金的高温应用潜力具有重大意义。

片层组织因其高强度、优异的抗蠕变性能及高温稳定性，始终是提升高温性能的有效微观结构。然而具有全片层组织的钛合金通常面临强度与塑性的矛盾。钛合金的快速加热（RH）工艺在升温阶段能有效抑制原始β相长大，并在快速冷却过程中形成高密度多取向界面。已有研究通过在β单相区实施RH工艺，实现了TC4合金室温下强度与塑性的平衡。但需注意的是，与TC4合金不同，Ti60合金中引入了适量硅元素以提升其高温性能。硅元素以固溶态及硅化物析出相形态存在，而RH工艺对硅化物的影响尚不明确。同时，马氏体在高温时效处理过程中会分解为α相与β相，而时效处理对界面工程调控的高温钛合金的作用机制尚未见报道。

研究团队以Ti60高温钛合金板材为目标材料，开展不同加热速率对比实验，以最快100 ℃/s的升温速率将板材加热至β单相区温度并快速冷却得到基体为全片层组织样品，随后开展时效，获得具有非均质片层结构及多尺度的硅化物的Ti60合金，再与传统β单相区固溶时效样品进行组织性能对比。具体工艺路线如图1所示。

图1. 工艺路线图：（a）快速加热时效；（b）传统固溶时效。

图2.（a）600 ℃高温力学性能；（b）室温力学性能；（c）本研究与典型工艺制备的高温钛合金600 ℃性能对比；（d）600 ℃/300 MPa条件下的蠕变持久寿命。

图3. 扫描电镜图像：（a）原始态；（b）RHA-100；（c）RHA-50；（d）RHA-25；（e）RHA-2；（f）STA-1075。

图4.（a）RHA-100中α_n与α_m相明场像；（b）RHA-100中α_n相高分辨图像；（c）RHA-100中α_m/β相界面高分辨图像；（d）RHA-100中α相统计分布；（e）RHA-100中亚微米/纳米级硅化物明场像；（f）RHA-100中纳米(Ti, Zr)₆Si₃/β相界面高分辨图像；（g）STA-1075中α相明场像；（h）STA-1075中α相统计分布；（i）STA-1075中纳米级硅化物明场像；（j）原始合金硅化物统计分布；（k）RHA-100硅化物统计分布；（l）STA-1075硅化物统计分布。

图5. RHA-100样品600 ℃拉伸断裂后透射电镜图像：（a）片层α相明场像；（b）α_m相内位错缠结；（c）位错穿越α_m相界；（d）α_n相内位错分布；（e）图4（d）红框区域对应IFFT图像；（f）α_n/α_m相间位错塞积；（g）含纳米孪晶的α_m相；（h）纳米孪晶高分辨图像；（i）图4（h）对应GPA应变分布图；（j）残余亚微米硅化物及位错；（k）亚微米(Ti, Zr)₆Si₃/基体界面HRTEM及GPA应变图；（l）纳米(Ti, Zr)₆Si₃的HRTEM及GPA应变图。

图6. STA与RHA工艺相变机理及RHA强化机制示意图。

分析实验结果表明，快速加热能够有效抑制钛合金中原始β相晶粒粗化，从而有效细化降温过程析出的马氏体片层，同时较短的加热时间有效抑制亚微米级硅化物溶解，使大部分硅元素以大尺寸硅化物形态在基体中保留；在后续时效中，非均质马氏体分解为亚微米级片层α_m相与纳米级片层α_n相，同时少量纳米硅化物沿片层相界析出。随着加热速率的提升，片层α尺寸逐步降低，细化的片层α相与多尺度硅化物共同实现了界面强化，同时非均质α_m与α_n相能够有效协调变形维持良好的室温塑性。

采用100 ℃/s快速加热处理的样品，在600 ℃及室温条件下实现了强度与塑性的良好匹配。600 ℃及室温抗拉强度分别达1028.7 MPa与1461.0 MPa，较原始材料提升45.0%与19.6%。同时处理后的样品蠕变持久寿命由33.8小时显著延长至105.8小时。该工艺有效解决了钛合金全片层组织面临的强度与塑性的矛盾关系，为充分释放现有钛合金在极端温度场景中的应用潜力提供了新策略。