科学研究γ-TiAl合金作为一种新型轻质高温结构材料，以其较低的密度（3.9–4.2 g/cm3）、高比强度、高抗蠕变性等独特优势，在600~900℃温度区间有望取代部分镍基高温合金，制备某些航空航天结构件及地面动力系统转动或往复运动结构件，提高动力系统的推力重量比值和燃油效率，减少温室气体排放，为实现2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”战略目标助力。然而，作为一种金属间化合物，合金自身存在的室温塑性差、热加工困难等问题一直是阻碍该合金进一步发展的重要因素。
为解决上述问题，由c7娱乐电子游戏官网刘奎研究员领导的先进高温结构材料及制备技术团队，长期致力于TiAl合金材料、熔炼、变形和部件制造等应用基础研究和技术开发工作。近期，针对TiAl合金热加工性与良好高温性能难以兼顾的难题，设计并发明了一种新型的Ti-Al-Mn-Nb系合金(发明专利202310616339.3)。该类合金兼具β和α单相区特点，利用高温β相较多可开动的滑移系，可确保合金高温下具有一定的有效热加工窗口，在团队前期TiAl合金低成本轧制技术基础上（Tailored fully lamellar microstructure of a newly developed Mn-containing β-solidifying γ-TiAl alloys rolled bar, 美国《金属杂志》（Journal of Metals）2022），再次成功实现了该类新型TiAl合金铸锭直接进行无包套连续轧制，省去了铸锭热等静压、均匀化热处理以及热锻工序，极大简化了棒材轧制工艺流程。制造出的TiAl合金棒材直径仅为12mm，且变形组织为具有细小的近/全片层结构，未表现出明显的变形织构（图1）。
图1. (A)铸态组织图；(B)轧态组织图；(C)传统条件下轧制的轧棒；(D)轧制后组织极图。
与国际上公开报道的TiAl合金相比，该新型TiAl合金不仅展现出良好的热加工性能，而且拥有优异的抗氧化性能以及出色的综合力学性能。等温热压缩实验证明，该合金在1200℃及以上的温度下最高变形速率可达1 s-1（图2）。在850℃/1小时循环氧化100周次的氧化实验中，该合金的氧化增重仅为0.9 mg/cm2，平均氧化速率仅为0.089 g·m-2·h-1，达到完全抗氧化级别（按照HB 5258-2000标准执行）（图3（A））。该合金在室温下的屈服强度可达834 MPa，断裂延伸率为2.0 %；而在服役温度850 ℃下，屈服强度仍可达525 MPa，且在750~850℃服役温度范围，屈服强度的降低并不明显（图3（B）（C））。
图2. (A)等温热压缩结果；(B) 0.6真应变下的热加工图；(C)1200 ℃，不同应变速率（(a)(d)1 s-1, (b)(e)0.1 s-1, (c)(f)0.01 s-1）EBSD图像。
相关研究成果以题为“Thermomechanical characterization and conventional rolling of a novel β-solidifying γ-TiAl alloy with excellent comprehensive properties”收录于中科院TOP一区《材料研究与技术》（Journal of Materials Research and Technology）期刊。c7娱乐电子游戏官网郝俊杰为第一作者，李小兵研究员为通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金、c7娱乐电子游戏官网自立科研项目的支持。
论文原文：
Hao JJ, Qian K, Li XB, Xue P, Shu L, Chen B, Liu K. Thermomechanical characterization and conventional rolling of a novel β-solidifying γ-TiAl alloy with excellent comprehensive properties, Journal of Materials Research and Technology, http://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.09.076