TiAl合金具有轻质、高比强、良好的高温抗氧化性和蠕变抗力等系列优异特性，在航空材料领域展现出令人瞩目的发展前景，目前已在波音787飞机GEnxTM-1B发动机最后两级低压涡轮叶片实现了初步应用。然而TiAl合金室温塑性差和高温强度不足两个瓶颈难题限制了其在新一代高推重比航空发动机上的更广泛应用。在TiAl合金中引入兼具金属和陶瓷双重优异特性的MAX相—Ti2AlC有望改善TiAl合金性能。但现有Ti2AlC/TiAl复合材料室温塑化和高温强化效果远未达到预期的水平。

针对TiAl合金室温缺乏独立滑移系统和高温晶界软化的瓶颈难题，基于多级异构组织强韧化思想，河南科技大学柳培副教授联合北京科技大学叶丰教授对Ti2AlC/TiAl复合材料进行了多尺度微观组织调控：通过两步烧结法在TiAl晶界处原位自生形成微米Ti2AlC网状结构（网径~132 μm, 厚度~5 μm）并将TiAl基体调控成γ-TiAl/α2-Ti3Al片层结构（间距~0.149 μm），进一步通过热处理实现了高密度针状Ti2AlC纳米析出相（厚度~6 nm，密度~1.2×1023 m-3）在γ-TiAl晶内的定向分布。该复合材料兼具优异的室温强度-塑性匹配关系（室温压缩强度~2336 ± 4MPa，断裂应变~33% ± 1%）和高温性能（850℃压缩强度721 ± 5MPa，与TiAl合金750℃压缩强度相当）。利用先进的3D-APT、TEM/HRTEM、第一性原理计算、原位SEM等手段揭示了复合材料微观组织和强韧化机制。本研究工作为高性能TiAl基复合材料的工程应用及发展提供了新的思路。

相关研究成果以题为“Hierarchically heterogeneous strategy for Ti2AlC/TiAl composite with superior mechanical properties”发表在复合材料领域顶级期刊《Composites Part B：Engineering》（影响因子：13.1）。河南科技大学柳培副教授为第一作者和通讯作者，硕士研究生王振博为共同第一作者，北京科技大学叶丰教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和新金属材料国家重点实验室开放基金的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111259

本文亮点

（1）基于“两步烧结+热处理”技术，设计构筑了一种多级异构Ti2AlC/TiAl复合材料（γ-TiAl/α2-Ti3Al片层团晶界分布微米Ti2AlC网状结构，γ-TiAl晶内分布高密度针状Ti2AlC纳米析出相），其优异的室温应变硬化能力和高温强化效果来源于纳米Ti2AlC、微米Ti2AlC、网状结构和TiAl基体的协同作用。

（2）创新性发现纳米Ti2AlC可优化γ-TiAl的本征变形机制：室温压缩条件下纳米Ti2AlC能够诱导γ-TiAl形成一级纳米孪晶并随后产生二级孪晶，为γ-TiAl室温变形提供了额外的滑移系；高温压缩条件下纳米Ti2AlC能够阻碍γ-TiAl晶内变形孪晶的扩展路径，提升了高温强化效果。

（3）揭示了复合材料中微米Ti2AlC网状结构的变形机制：室温压缩条件下微米Ti2AlC能够形成基面位错、锥面位错和位错胞，Ti2AlC网状结构能够阻碍裂纹的扩展，促进协调变形和应变离域化；高温压缩条件下微米Ti2AlC能够形成高密度的位错缠结，Ti2AlC网状结构能够抑制晶界的软化，促进高温强度提升。

图文解析

图1. 多级异构Ti2AlC/TiAl复合材料的微观结构表征

(a1)~(a3) SEM形貌及片层大小、厚度分布；(b) XRD图谱；(c)元素面扫描分布图；(d1)~(d2) 元素点扫描分布图；(e)~(g) EBSD分析图

图2. 微米Ti2AlC和纳米Ti2AlC的TEM图像及3D-APT分析

(a1)~(a4) 微米Ti2AlC和TiAl基体界面的TEM图像、界面位向关系及原子结构；(b1)~ (b4) 纳米Ti2AlC和TiAl基体界面的TEM图像、界面位向关系及原子结构；(c)~(d) 纳米Ti2AlC的3D-APT原子重构图及元素分布图

图3. 多级异构Ti2AlC/TiAl复合材料及TiAl合金的室温和高温压缩性能分析

(a) 室温工程应力应变曲线；(b1)~(b2) 真应力应变曲线及相应的应变硬化率曲线；(c) 多级异构Ti2AlC/TiAl复合材料与其他TiAl合金及复合材料的室温压缩性能对比；(d) 高温工程应力应变曲线；(e) 多级异构Ti2AlC/TiAl复合材料与其他TiAl合金及复合材料的高温压缩性能对比

图4. 多级异构Ti2AlC/TiAl复合材料在不同室温压缩应变下γ-TiAl基体的变形特征

(a1)~(a5) 纳米Ti2AlC诱导γ-TiAl形成纳米孪晶的TEM图像及GPA应变图；(b) 第一性原理模型建立；(c) Ti2AlC/TiAl界面滑移和TiAl内部晶体滑移的广义层错能曲线；(d) Ti2AlC/TiAl界面差分电荷密度图；(e)一级纳米孪晶和二级纳米孪晶交互作用的TEM图像；(f1)~(f7)含有扭结的纳米孪晶界诱导层错的HRTEM分析和GPA应变图；(g1)~(g4) 一级纳米孪晶诱导产生二级纳米孪晶的HRTEM分析和GPA应变图

图5. 多级异构Ti2AlC/TiAl复合材料在750℃压缩变形时γ-TiAl基体的变形特征

(a) TiAl基体中变形孪晶交互和纳米Ti2AlC作用的TEM图像；(b1)~(b5) 变形孪晶交互的HRTEM图像；(c1)~(c3) 转动晶粒的IFFT图像及形成示意图；(d1)~(d3) 图5(b1)中蓝色区域的TEM图像和GPA应变图；(e1)~(e3)图5 (b1)中绿色区域的TEM图像和GPA应变图

图6. 多级异构Ti2AlC/TiAl复合材料中微米Ti2AlC在室温和高温条件下的变形特征

(a1)~(b3) 微米Ti2AlC室温压缩过程中产生基面位错与锥面位错的TEM图像和GPA应变图；(c1)~(d3)微米Ti2AlC中室温压缩过程中由位错反应引起位错胞形成的TEM图像和GPA应变图；(e)~(f4) 微米Ti2AlC高温压缩过程中位错缠结和界面孪晶受阻的TEM图像和GPA应变图

图7. 多级异构Ti2AlC/TiAl复合材料和TiAl合金在室温和750℃压缩变形下的微观组织演变

(a1)~(a3)复合材料在室温压缩变形下的微观组织演变；(b1)~(b3) TiAl合金在室温压缩变形下的微观组织演变；(c1)~(c2)复合材料在高温压缩变形下的微观组织演变；(d1)~(d3) TiAl合金在高温压缩变形下的微观组织演变

图8. 多级异构Ti2AlC/TiAl复合材料变形过程示意图

结论展望

综上所述，本文制备了一种多级异构Ti2AlC/TiAl复合材料，即γ-TiAl/α2-Ti3Al片层团晶界分布微米Ti2AlC网状结构，γ-TiAl晶内分布高密度针状Ti2AlC纳米析出相，该复合材料表现出优异的室温强度-塑性匹配关系和高温强度。通过先进表征手段揭示了复合材料优异的室温应变硬化能力来源于：i) 纳米Ti2AlC析出相诱导TiAl形成一级纳米孪晶并随后产生二级孪晶；ii)微米Ti2AlC形成基面位错、锥面位错和位错胞；iii) 微米Ti2AlC网状结构对裂纹的阻碍；复合材料优异的高温强度来源于：i) 纳米Ti2AlC析出相阻碍变形孪晶的扩展；ii) 微米Ti2AlC中高密度的位错缠结；iii) 微米Ti2AlC网状结构抑制晶界的软化。这种多级异构的设计策略可为新一代TiAl基复合材料的开发应用提供理论依据和技术支撑。