γ-TiAl合金是一种低密度、高强度的金属间化合物，特别适合航空航天发动机的耐热部件制造，其密度只有4.0g/cm³，但比强度很高，在600-900℃高温下仍能保持优异的抗氧化和抗蠕变性能。γ组织（NG）、双态组织（DP）与全层片组织（FL）是传统γ-TiAl合金中常见的组织类型，其中，全层片组织因也是该合金高温强度和蠕变抗力的主要来源之一，但通常仅由α₂+γ层片构成，且对成分与热处理极为敏感。近年来，β稳定元素（如Nb、Mo、Fe）被引入γ-TiAl合金体系，用以改善热加工性能与组织可控性，然而，β相的引入往往伴随着室温塑性下降或组织不稳定问题。

2025年12月21日，材料领域的国际期刊《Acta Materialia》在线发表了题为“A novel full lamellar colony (β₁+γ) microstructure of Ti46Al5NbxFe alloys with high-density dislocations and nanotwins exhibited ultra-high strength and plasticity properties”的研究论文，论文以Ti-46Al-5Nb-xFe（x = 0–1.0 at.%）合金为研究对象，系统揭示了Fe元素对相变路径、层片组织演化及β1相稳定性的调控机制，通过合理的Fe含量设计与热处理路径控制，可在合金中形成一种由β₁相与γ相共同构成的全层片群落组织。论文的通讯作者为哈尔滨工业大学的方虹泽教授和陈瑞润教授。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121860

【核心内容】

在这项研究中，团队针对γ-TiAl合金塑性与热加工性难以兼顾的问题，通过Fe微合金化诱导在Ti-46Al-5Nb-xFe合金中构建全层片β₁+γ群落显微组织（LPM）。研究发现，Fe元素优先富集于β₁相并取代传统α₂层片，使β₁/γ层片在尺度与取向上高度有序，同时在界面处形成显著的晶格失配与化学非平衡，β₁/γ界面界面主导的缺陷演化机制显著提升了位错储存能力与应变硬化水平，实现了强度与塑性的协同提升。

图形摘要

【研究方法】

团队以钛、铝、铁等高纯元素金属，以及Al-63Nb(wt.%)中间合金，设计了成分为Ti-46Al-5Nb-xFe(x=1.2，2.0，2.8at.%)的合金，称为Tan-XFe合金。钢锭通过电弧炉熔炼完成并进行了五次重熔以确保成分均匀。随后铸锭经均匀化与受控热处理后，团队系统表征其显微组织演化，研究综合使用了XRD、SEM、EBSD与TEM等手段，对相组成、层片取向关系及界面特征进行深入分析，并结合相变理论对β₁相的形成机制进行了系统讨论。

TAN-xFe合金的元素分布分析

【研究成果】

① Fe微合金化实现α₂→β₁的层片级转变

随着Fe含量的引入，合金中β相在高温区得以稳定，并在随后的相变过程中有序转变为有序β₁相（B₂结构），该β₁相并未以孤立块状析出，而是直接参与层片组织的构建。随着Fe含量从1.2at.%提升至2.8at.%，合金在室温下的抗压强度由1986MPa提升至2925MPa，同时保持甚至提升塑性应变，TAN-2.8Fe合金在950℃下可实现接近100%的超高拉伸应变，显著优于近年来报道的多种γ-TiAl合金，这些性能提升与CR诱导的LPM结构高度相关，表明β1+γ层片组织在强度与塑性协同方面具有显著优势。

TAN-xFe合金的微观结构特征

TAN-xFe合金的力学性能

TAN合金与其他TiAl合金的力学性能对比

② β₁/γ界面成为高密度位错与层错的天然形核源

β₁/γ界面处由于晶格失配与弹性常数差异，形成了高密度位错墙与层错（SFs），该界面区域存在局部应变集中，而Fe在β₁相中的优先富集不仅稳定了层片结构，还在原子尺度上放大了界面应力场，在外加载荷作用下，γ相中大量层错迅速演化为超细纳米孪晶，并逐步交织形成三维孪晶网络，孪晶界与层错高度有序，其交叉区域成为新的位错储存单元，该自组织形成的纳米孪晶网络不仅有效阻碍位错滑移，还可持续吸收与再分配应变能。

TAN-2.8Fe合金加热过程中的微观结构演变

TAN-2.8Fe合金的DSC曲线

③ 高温下实现“类超塑性”变形行为的微观来源

Fe微合金化后的合金之所以在高温拉伸测试中，呈现出了极为优异的力学性能组合，是因为在900-950℃高温变形的过程中，合金表现出明显的织构弱化与多滑移系协同激活特征，高密度低角度晶界的形成有效分散了应力集中，这一作用与动态回复和再结晶过程协同，使材料呈现出类似超塑性的变形特征。

TAN-2.8Fe合金的微观结构演变示意图

④ 全层片β₁+γ组织为性能优化提供新的组织设计窗口

相较于传统的如α₂+γ构成的层片组织，该研究在合金内构建的β₁/γ界面-位错-层错-纳米孪晶网络共同组成了一个可持续演化的变形载体体系，能够同时兼顾组织稳定性、相结构可调性与潜在塑性改善，团队引入β₁相的策略不仅有助于改善热加工性能，也为后续通过界面工程与层片尺度调控进一步优化TiAl基合金的力学性能提供了新的可能路径。

变形后TAN-2.8Fe合金的TEM表征结果

950℃条件下拉伸测试前后TAN-2.8Fe合金的EBSD对比分析

【总结与展望】

研究通过Fe微合金化策略，在Ti-46Al-5Nb合金体系中首次成功构建出β₁+γ全层片群落显微组织，这一发现突破了传统γ-TiAl合金仅依赖α₂+γ层片组织的设计范式，为高温结构用TiAl合金的组织调控提供了全新的思路，也为γ-TiAl合金在航空发动机、涡轮叶片等高温服役场景中的进一步应用奠定了理论与实验基础。