PST TiAl单晶中纳米孪晶及其界面与位错的交互作用研究

TiAl alloys are promising light-weight structural materials used at high temperatures, but they are short of room-temperature ductility and high-temperature strength. The newly developed PST TiAl single crystals made a great improvement in strength, ductility and creep resistant, in which the nano-twins (NTs) played a key roal. However, the variety, formation and distribution of deformed NTs, the influence rules of NTS’ boundaries and dislocation movement on mechanical properties are still not clear to us. The purpose of this program is to explore the thermodynamics and dynamics mechanism of the formation of NTs, illustrate the variety, formation and distribution of NTs, reveal the coordinating deformation behavior of NTS’ boundaries, the interactions between NTs and dislocations and the degradation failure of NTs at high temperatures. We aim at clarifying the essential reason that why the newly developed PST TiAl single crystals owning a enormous increase in both strength and ductility compared with polycrystalline TiAl alloys, by studying the movement of NTs and dislocations in elastic and plastic deformation stage respectively, providing reference for the huge boost of ductility and strength of intermetallics such as Ni-Al and Fe-Al.

TiAl合金是一种极具潜力的轻质高温结构材料，但存在室温脆性大和服役温度低两大不足。新型PST TiAl单晶实现了强度、塑性和蠕变抗力的跨越性提升，其中纳米孪晶起到了关键作用。但纳米孪晶的种类、产生和分布，孪晶界面与位错运动对力学性能的影响规律尚不清楚。本项目旨在探明PST TiAl单晶中形变纳米孪晶产生的热力学与动力学机制，阐明纳米孪晶类型、分布及其对力学性能的影响规律，揭示孪晶界面的协调变形行为、孪晶与位错的交互作用及孪晶的高温失效退化机制。分别研究PST TiAl单晶在弹性变形阶段和塑性变形阶段中纳米孪晶和位错的运动，探究新型PST TiAl单晶强度与塑性比TiAl多晶合金同步大幅度提高的本质原因，为Ni-Al、Fe-Al等金属间化合物塑性和强度跨越提升提供借鉴。

TiAl是一种极具潜力的轻质高温结构材料，但存在室温脆性大和服役温度低两大不足，严重限制了其重要应用。PST TiAl单晶实现了综合性能的跨越提升，其中纳米孪晶起到了重要作用。但纳米孪晶的产生、演化及其与位错和片层界面的交互作用规律尚不清楚。本项目初步揭示了PST TiAl单晶中纳米孪晶产生的热力学与动力学机制、纳米孪晶演化及其与位错和片层界面的交互作用规律。首次发现PST TiAl单晶中α2相孪生变形现象，并证明原子重排与交换是α2相孪晶和基面内禀层错形成的主要原因，I1型内禀层错与台阶相连对α2孪晶生长起到了重要作用。提出了PST TiAl单晶断裂新机制：Type I裂纹中的共格界面抑制分层，激活大量变形孪晶，裂纹沿孪晶界快速萌生并扩展，降低断裂韧性；Type II裂纹中，普通位错交叉滑移产生不动位错，阻碍裂纹扩展，提高断裂韧性。首次观察到PST TiAl单晶疲劳变形过程中层错与位错和片层界面的交互作用过程，揭示了塑性应变离域化提高疲劳性能的微观机制：γ软相以层错和位错为塑性变形方式，变形充分且均匀，γ/α2相界产生位错塞积，诱导α2硬相产生<c+a>位错并分解为Frank不全位错，形成I1层错带，缓解片层界面处应力集中，实现塑性应变离域化。探明了PST TiAl单晶中纳米孪晶的高温稳定性：900℃以孪生变形为主，950℃转变为孪晶迁移，975℃出现孪晶退化，1000℃以位错和动态再结晶为主要变形机制。研究成果不仅揭示了PST TiAl单晶高强高塑的本质原因，也可为其他金属间化合物塑性、强度和高温稳定性协同提升提供理论指导。