γ-TiAl合金具有低密度、高比强度、优异的高温抗氧化性能和抗蠕变性能，是650-850℃服役温度区间潜在的轻质高温结构材料，在航空航天飞行器、车辆发动机等耐热部件具有广阔的应用前景。作为第三代γ-TiAl合金的典型代表，TNM合金(名义成分Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B，at.%) 虽然服役温度可达到750℃，但高温无序β相冷却至室温转变成有序结构的β0相，以块状形貌分布在(α2+γ)片层团界面，在高温服役条件下，β0相不仅含量有所增加，而且也会析出硬脆的ω相，随着蠕变变形量的累积，硬脆的β0/β0(ω)与周围的α2 /γ片层应变不协调导致应力集中，为孔洞和裂纹提供形核位置，加剧了蠕变失效。因此，如何调控β/β0相的尺寸、含量和分布，改善组织稳定性一直是γ-TiAl合金领域关注的热点问题。

日前，西北工业大学凝固技术国家重点实验室寇宏超教授团队采用粉末热等静压方法成功制备出全片层TNM合金，通过1050℃/2h时效处理，在α2 /γ片层析出少量弥散细小的β0相，显著提高了合金的高温蠕变性能。相关工作以题为“The interfacial β0 phase strengthening the creep properties of powder hot isostatic pressing γ-TiAl alloy”发表在Materials Research Letters上。论文第一作者为博士研究生王艺超，通讯作者为寇宏超教授。

论文链接：https://doi.org/10.1080/21663831.2022.2050432

王艺超等人采用1260℃/170MPa/4h粉末热等静压工艺获得了具有全片层组织的TNM合金，β0和γ相的体积分数分别为0.3%和72.1%，进一步1050℃/2h时效处理后，α2片层界面析出弥散分布的细小β0相，β0和γ相的体积分数分别达到1.4%和79.1%，表现出优异的高温蠕变性能，750℃/250MPa/140h蠕变变形量和稳态蠕变速率分别为1.7%和5.64E-9s-1，分别比热等静压态低3.2倍(5.4%)和6.3倍(8.89E-8s-1)。

图1.  (a)热等静压态BSE图像；(b)热等静压态α2/γ片层特征及对应的SAED花样；(c)时效态BSE图像；(d)时效态α2/γ片层界面β0相及对应的SAED花样；(e)750℃/250MPa/140h条件下的蠕变曲线；(f)稳态蠕变速率比较。

750℃/250MPa/140h蠕变试验后，热等静压态TNM合金呈现出片层团界面动态再结晶、片层弯曲及孔洞萌生等严重的组织退化特征，而时效态合金则片层团完整，片层平直，表现出优异的组织稳定性。作者发现，1050℃/2h时效过程中，TNM合金α2片层的平行分解导致界面β0相呈现“凸”出的形貌，在高温蠕变过程中，片层界面和片层团界面承担变形协调作用，β0/β0(ω)相不仅能钉扎位错，形成明显的位错缠结，而且有效阻碍位错运动以及层错和孪晶的扩展。另一方面，界面β0相也延缓了α2片层分解速度，使得片层连续且结构完整，同样为位错运动、层错和孪晶的扩展提供有效的阻碍，大大提升了TNM合金的高温抗蠕变性能。

图2. (a)热等静压态蠕变后BSE图像；(b, c)时效态蠕变后BSE图像；(d-f)β0/β0(ω)相和α2/γ片层分别与位错的交互作用；(g)两种组织状态的蠕变机理示意图。

本文首次报道了粉末热等静压TNM合金的组织特征及蠕变行为，阐明了界面β0/β0(ω)相对蠕变性能的强化机制。采用粉末热等静压及简单的热处理工艺，可以有效调控β凝固γ-TiAl合金的显微组织特征，提高合金的组织稳定性和抗蠕变性能，为γ-TiAl合金材料的发展和应用提供了新的思路。

本研究工作获得了国家科技重大专项(J2019-V1-0011-0125)和凝固技术国家重点实验室自主课题(2020-TZ-03)的支持。