材料学院陈瑞润教授团队在钛铝合金组织构型调控机理与性能优化研究中取得重要进展

近日，材料学院陈瑞润团队在轻质高强高塑钛铝合金材料的研制方面取得了重要进展。研究成果以《形成含Ru共析结构作为TiAl合金片层团边界处的位错储存单元》（Forming Ru containing eutectoid structure serves as the dislocation storage unit at the lamellar colony boundary of TiAl alloy）为题发表在《材料学报》（Acta Materialia）上。该成果对优化钛铝合金显微组织和提出强化增韧策略具有重要的指导意义。

γ-钛铝基合金因其更低的密度和比强度，优异的高温强度、抗蠕变性能和抗氧化性能而具有可观的发展潜力，目前已成为飞机发动机低压涡轮叶片的减重材料之一。然而，由于基体中固有的层片结构，其塑性和热加工性能有所欠缺。凝固过程中片层团取向的差异性，使得片层团边界是应力集中的首选位置。因此，如何减轻界面处的应力集中程度是克服钛铝合金短板的重要一环。

针对这一难题，研究团队发现通过合理地掺杂Ru元素来控制固态相变和协调组织形态是提升钛铝合金强度与塑性匹配度的重要手段。利用Ru元素低固溶度、大原子半径和慢扩散速率的特性，将不同含量的Ru（x=0，0.4，0.8，1.2，2.0，2.4，at. %）掺杂到合金熔体中，显著改善了钛铝合金的显微组织和室温与高温力学性能。结合实验与第一性原理计算分析，含2.0 at. % Ru的钛铝合金在片层团边界处形成了由C15-Laves和τ1相组成的共析结构，这种结构在高温拉伸过程中有效调节相界面的位错组态，降低相界面处的应力集中，它作为独特的位错存储单元成功延缓了钛铝合金开裂。在850 ℃时，掺杂2.0 at. % Ru的钛铝合金展现出良好的强度与塑性的结合。该研究工作不仅为缓解钛铝合金和类似材料中的应力集中提供了新的见解，同时也为钛铝合金的成分设计和未来发展提供了新的策略。

哈工大为该论文的唯一通讯单位，材料学院博士生李柯萱为第一作者，陈瑞润教授和方虹泽副教授为共同通讯作者。

该研究获国家自然科学基金项目和国家自然科学基金青年基金项目资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120587

图1 含Ru的共析结构阻碍裂纹扩展示意图

图2 a为含Ru钛铝合金凝固过程中固态相变示意图，b为显著提升的室温压缩、室温拉伸和850℃拉伸性能，c为高温拉伸后共析结构与位错的形貌特征