发展具有变革性的TiAl合金是航空发动机叶片等热端部件的重点方向，对航空航天高端装备轻量化具有重大意义。针对传统TiAl合金室温脆性大和长时承温能力低两大世界难题，本团队基于“功能基元序构”材料设计新范式，通过精确调控软相γ-TiAl、硬相α₂-Ti₃Al及纳米孪晶等功能基元本征特性和序构参数，显著提升了聚片孪生(polysynthetic twinned，PST) TiAl合金的强塑性和承温能力。发现了界面类型、片层取向、片层厚度及相比例等序构参数对合金力学性能的决定性作用，澄清了γ相孪生诱导强塑性、α₂相层错提高疲劳强度、α₂相变增韧及γ/α₂共格界面提高断裂韧性等强韧化物理机制，为探索功能基元序构的高性能TiAl合金探明了方向。最后，展望了TiAl合金功能基元序构的发展方向。

聚片孪生TiAl合金,  功能基元,  序构,  强韧化,  力学性能    

本文聚焦研究团队多年来在聚片孪生(polysynthetic twinned，PST)功能基元序构高性能TiAl合金领域的研究进展，首先介绍了TiAl合金功能基元本征特性和序构参数，包含界面类型、片层取向、片层厚度和相比例等；其次，梳理了功能基元序构高性能TiAl合金的强韧化物理机制，包含γ相孪生诱导强塑性、α₂相层错提高疲劳强度、α₂相变增韧、γ/α₂共格界面提高断裂韧性等；最后，展望了TiAl合金功能基元序构的发展方向，为其他片层材料提供了研究范式。

聚片结构功能基元

引入软、硬耦合结构的功能基元被认为是研制高强高塑材料最有效的方法之一。PST TiAl合金是由软相γ-TiAl和硬相α₂-Ti₃Al功能基元通过有序片层交替构成的，如图1a1和a2所示。

软相γ-TiAl功能基元具有L10型有序fcc晶体结构，晶格常数比c / a为1.01~1.03，导致其在{111}密排面上的晶体对称性降低，<1-10]方向与<011]方向不再等效，使塑性变形能力受到显著约束。此外，孪生也是γ相的重要变形方式，其孪生系为1/6<112]{111}。与fcc金属相比，γ-TiAl相功能基元密排面上<11-2]方向与<-211]方向也不等价，可用孪晶系均位于<11-2]方向。这种受限变形凸显出片层取向对PST TiAl合金变形机制选择的关键影响。

硬相α₂-Ti₃Al功能基元具有D019型有序hcp晶体结构，其可动滑移系较γ相更少。其中，柱面滑移最容易开动，其次是基面滑移和锥面滑移，三种滑移开动的临界分切应力(τ_c)之比约为τ_c(prismatic)∶τ_c(basal)∶τ_c(pyramidal) ≈ 1∶3∶9。然而，柱面滑移和基面滑移仅提供两个独立的滑移方向，无法满足Von Mises准则所要求的整体塑性所需的5个独立滑移系。为了充分适应塑性应变，需要额外的剪切模式提供基面和柱面上的剪切位移。在α₂相中，这种剪切分量可能是由<c + a>型位错在锥面上的滑动产生的，但锥面滑移由于临界分切应力高，且它只发生在沿α₂相[0001] (c方向)或相近方向，导致激活非常困难。TiAl合金的塑性行为强烈依赖于α₂相的变形能力，当γ基体中的位错和孪晶遇到α₂片层时，若位错无法从界面发射以协调应变，则可能在α₂片层内或γ/α₂片层间界面处萌生微裂纹，导致TiAl合金的塑性降低。因此，改善TiAl合金力学性能的一个重要途径是协调软硬相变形，这应从两个方面考虑：一是提高γ/α₂相界面强度；二是激活α₂硬相滑移系(图1b)。

纳米孪晶经功能基元

在TiAl合金中，纳米孪晶作为关键功能基元，可分为生长孪晶和变形孪晶。精确引入和调控纳米孪晶，是实现结构材料高性能化的核心策略之一。

生长孪晶是一种在定向凝固及后续热处理过程中形成的固有微观结构，其形成源于原子沿孪生面的特定堆垛，与γ相的L10结构及其较低的层错能密切相关。γ生长孪晶形成于α相内部，这是一个受扩散控制的缺陷迁移过程。γ片层首先在α相中的层错区域形核，随后通过1/3[010]或1/3[100]不全位错滑移长大，两种不同取向的γ片层变体相遇时，即形成生长孪晶。通过控制工艺参数，可有效调控生长孪晶的厚度，从而优化材料的力学性能。

变形孪晶分为γ变形孪晶和α₂变形孪晶。在TiAl合金室温和高温变形后均可产生多种取向的γ变形孪晶：一种是在γ片层内形成的与片层界面呈约70.3°角的Q型孪晶(图1c1和c2)；另一种是平行于原始片层界面的P型孪晶，且P型和Q型孪晶可同时形成(图1d1和d2)。P型孪晶可以降低片层厚度，Q型孪晶能分割γ片层，细化其结构尺寸。γ相内的孪晶之间可发生交截，这一现象源于多组不平行孪晶系的激活，交截处可形成Lomer-Cottrell位错锁，高温下可能会诱发γ相再结晶。α₂相中变形孪晶的形成(图1e1和e2)需部分Ti与Al原子进行交换，以实现孪晶与基体晶格间镜像对称，这种交换是极其困难的，是阻碍α₂相变形孪生最重要的因素。目前，通常认为仅在高温变形条件下，α₂片层能够激发孪晶。

图1 聚片孪生TiAl合金的功能基元类型^[1,15,21,27]

Fig.1 Types of functional units in polysynthetic twinned TiAl alloys 

(a1, a2) schematic^[15] (a1) and TEM image^[1] (a2) of α₂ phase and γ phase 

(b) schematic of slip continuity between geometrically favored slip systems in the γ lamella (tetragon) and α₂ lamellae (hexagonal prisms) (The white arrows denote the strain energy release routes either across or along the γ/α₂ interface)^[21] 

(c1, c2) schematic (c1) and TEM image^[1] (c2) of Q-type twins within the γ phase (Arrow shows twins. The same in Figs.1d2 and e2) 

(d1, d2) schematic (d1) and TEM image (d2) of P + Q-type twins within the γ phase 

(e1, e2) schematic (e1) and TEM image^[27] (e2) of twins within the α₂ phase

界面类型

TiAl合金功能基元的序构参数之一为片层间的界面类型，可分为γ/α₂异质软硬耦合界面和γ/γ同质界面，如图2所示。界面的原子结构直接决定了序构的稳定性、载荷传递行为和变形协调能力，进而主导材料的宏观力学性能。因此，从原子尺度解析界面特征，是理解TiAl合金强韧化机制的关键。

对于γ/α₂异质界面，界面两侧的α₂和γ片层遵循Blackburn关系 (图2a1和a2)：<1-10> γ // <11-20>、(111) _γ // (0001)_α2。当α₂相中的纯Ti原子柱穿过界面与γ相中的纯Ti原子柱相对应时，界面能最低。采用Bramfitt平面错配度公式计算PST TiAl单晶γ/α₂的界面错配度，为3.54%，属于共格界面。

对于γ/γ同质界面，根据晶体学关系可分为三种类型：180° γ/γ真孪晶(true twin，TT)界(图2b1和b2)、60° γ/γ伪孪晶(pseudo twin，PT)界(图2c)和120° γ/γ有序畴(ordered domain，OD)界(图2d)。这三种γ/γ界面是γ片层间六种变体的组合，六种变体来源于{111}面上的三个晶向不等价性和两种可能堆垛方式(三个方向×两种序列)。对于120° γ/γ OD界面，不仅可出现在相邻γ片层处，也可在单一γ片层内形成。三种γ/γ同质界面均为共格界面。

值得注意的是，由于α₂和γ相晶体结构对称性较低，γ/α₂相界面(图2a1和a2)和180° γ/γ TT界面(图2b1和b2)在透射电镜下的原子排布衬度和衍射特性会随电子束入射方向变化而改变。但这仅是观测方向的差异，界面本身的晶体学结构是不变的。

图2 聚片孪生功能基元序构TiAl合金界面类型^[29]

Fig.2 Types of interface of polysynthetic twinned TiAl alloy with ordered structures of functional units 

(a1, a2) γ/α₂ phase interfaces from <1-10] γ^[29] (a1) and <0-11] γ (a2) directions 

(b1, b2) 180° γ/γ true twin (TT) interfaces from <110]^[29] (b1) and <011] (b2) directions (Where γ_A is the matrix, γ_AT is the 180° TT) 

(c) 60° γ/γ pseudo twin (PT) interface^[29] (Where γ_B is the 60° PT) 

(d) 120° γ/γ ordered domain (OD) interface^[29] (Where γ_C is the 120° OD)

本团队创新性地将功能基元序构理念引入TiAl合金设计中，通过将软相γ-TiAl、硬相α₂-Ti₃Al及纳米孪晶等功能基元有序构筑，并精确调控界面类型、片层取向、片层厚度及相比例等序构参数，实现了TiAl合金强塑性与承温能力协同提升。揭示了γ相孪生诱导强塑性、α₂相层错提高疲劳强度、α₂相变增韧及γ/α₂共格界面提高断裂韧性等多种强韧化物理机制，为突破传统TiAl合金室温脆性大和长时承温能力低两大世界难题提供了新的解决路径，为其他片层材料提供了研究范式。

未来TiAl合金功能基元序构研究可重点关注以下几个方面。

(1) 功能基元多级序构高性能TiAl合金构筑。在微/纳米级γ相、α₂片层基元内部，通过纳米孪晶、层错等基元的多级序构，构建片层内含精细亚结构的多维架构。多级序构设计能够逐级协调和分散应变，通过多界面协同，最大化位错存储能力和加工硬化效果，有望实现材料强韧性的跨越式提升。

(2) TiAl合金价键调控和强韧化物理机制。金属材料纳米孪晶强化存在“临界尺寸效应”，陶瓷材料表现为孪晶“越细越强”，这充分表明价键类型影响变形行为。TiAl合金中同时存在金属键、共价键和离子键，各价键生效机制和交互作用规律复杂。未来可结合模拟计算与先进电子结构分析，厘清各功能基元的价键特征和空间分布，阐明其对层错能、界面能等功能基元本征特性的影响规律，为通过价键调控设计高性能TiAl合金提供理论指导。

(3) 基于人工智能的正向设计。面对复杂序构参数带来的传统试错效率瓶颈，引入人工智能驱动的正向设计范式，构建基元本征性能-制造工艺-构件服役性能融通的全数据链智能设计方法，实现从功能基元序构和工艺路径到力学性能的正向优化，推动TiAl合金研发从“经验试错”向“智能设计”范式变革。

陈光, 陈奉锐, 朱德民, 李贵忠, 李罗, 宋伟东, 王子特, 相恒高, 陈旸, 祁志祥. 聚片孪生功能基元序构的高性能TiAl合金[J]. 金属学报, 2026, 62(4): 541-549.
Guang CHEN, Fengrui CHEN, Demin ZHU, Guizhong LI, Luo LI, Weidong SONG, Zite WANG, Henggao XIANG, Yang CHEN, Zhixiang QI. Polysynthetic Twinned High-Performance TiAl Alloy with Ordered Structures of Functional Units[J]. Acta Metall Sin, 2026, 62(4): 541-549.