TiAl是航空发动机中最具潜力的轻质高温结构材料之一，然而，现有TiAl合金普遍存在两大难题：室温塑性差、易脆断；高温强度随温度上升严重衰减。Ti-46Al系列虽然轻质但塑性低；高Nb的TiAl合金虽强度好，但成本高、加工困难，因此，如何在保证高温性能的同时提升室温塑性，长期以来都是难题。

近日，国际材料期刊《Rare Metals》在线发表了题为“Introducing high-density dislocations and twins in Ti–46Al–2.8Fe–xNb alloy with fully lamellar colony (β+γ) by phase proportion and interface stress regulation”的研究论文。本论文中，团队通过调控β/γ相比例、利用界面应力及Nb固溶效应，在新型(β+γ)全层片TiAl合金中成功引入高密度位错、层错与三维纳米孪晶网络（nanotwin network），使合金在室温压缩下实现2966 MPa强度与39.6%塑性的优异组合，并在750 ℃展现良好的高温拉伸性能（492 MPa，4%）。通讯作者为哈尔滨工业大学方虹泽教授和陈瑞润教授。

文章链接：

https://doi.org/10.1007/s12598-025-03641-z

【核心内容】

本论文系统研究了Ti-46Al-2.8Fe-xNb（x=4-6 at.%）中Nb含量对层片结构、界面位错、孪晶网络及力学性能的影响，团队研究后发现，增加Nb能够提高β相比例并抑制a2，从而增加界面应力，界面应力增加后又引起Nb固溶畸变，引入高密度位错，激发层错（SFs），最终构建三维纳米孪晶网络，实现强度与塑性协同提升。

图形摘要

【研究方法】

本研究采用Ti-46Al-2.8Fe-xNb（4-6 at.%）合金体系，通过电弧熔炼与多次重熔获得成分均匀的（β+γ）全层片组织，并以Nb含量作为主要调控变量。研究团队利用SEM/EDS分析相组成与层片结构，结合TEM/HRTEM与SAED观察位错、层错和孪晶的形成，同时借助 GPA表征界面应力场，并通过XRD评估堆垛层错能变化。随后，通过室温压缩与750 ℃拉伸实验系统评估Nb对强度与塑性的影响，从而构建成分调控—微结构演化—力学性能提升的完整关联机制。

TAF-xNb合金的室温压缩及高温拉伸力学性能

【研究成果】

① Nb调控相比例，使层片结构与相组成发生系统性演化

随着Nb含量的逐步提高，合金的层片结构出现明显细化趋势，尺寸从4%Nb时的256 µm减小到5.5%Nb时的178 µm。这种细化不仅提高了层片的数量，也改变了γ/β层片的比例关系，使β相的体积分数从17.0%增加到21.5%，同时脆性的a2相含量明显下降。层片结构的变化源自Nb对α→β转变的促进作用。当Nb固溶度提升时，β相在层片中更容易形成并稳定存在，使γ/β层片界面更加规整与连续，而这类界面的规则性进一步成为后续位错、层错与孪晶生成的结构前提。因此，Nb不仅调控相比例，也“预设”了促进微结构演化的界面条件。

TAF-xNb合金中元素分配行为及分布表征

② Nb降低SFE，显著增强层错与孪晶的生成倾向

XRD计算显示，随着Nb含量从4%增加至6%，合金的SFE从82.4 mJ/m²急剧下降到15.2 mJ/m²，这种降低幅度在TiAl系合金中尤为罕见。SFE的显著下降直接推动层错和孪晶的形成与扩展，因为在低SFE条件下，位错更容易发生分裂、塞积，从而为后续孪晶或调制结构提供成核位置。因此，Nb的加入并不仅仅是改变相比例，而是通过大幅降低SFE来改变变形路径，使合金在外部载荷下具备生成高密度层错与孪晶的内在能力。可以说，低SFE是该体系能够构建“纳米孪晶网络”的物理基础。

TAF-xNb合金的XRD分析结果及相组成

③ 界面应力使β/α2界面成为位错与孪晶的核心生成源

β/α2界面由于两相之间晶格参数与结构的差异，天然具有较高的晶格错配度。而随着Nb提升β相比例，这类界面在数量上明显增多，使得界面应力在合金整体中呈系统性增强。GPA分析进一步揭示，该界面处存在显著的应变梯度，使位错在此更易成核并发生塞积。

界面内高密度位错的存在是层错与孪晶产生的直接诱因。当应力作用持续增强，位错在界面附近不断滑移、分裂并转化为层错，这些层错又进一步诱发孪晶胞的形成，使孪晶从界面向γ层片内部扩展。因此，β/α2界面是整个“纳米孪晶网络”发育的起点和驱动中心，是本研究中最关键的微结构控制对象。

TAF-xNb合金的TEM图像显示相界面、SAED花样及界面应力分析

④ 三维纳米孪晶网络显著提升强度与塑性，建立“自增强循环”机制

在Nb含量约5-5.5%的最佳窗口中，合金内部出现了大量交叉分布的纳米孪晶与纳米层错，这些孪晶单元构成了近似三维的网络结构，使位错在不同层片和不同界面之间被有效困锁并不断储存。位错储存行为提高了应变硬化能力，从而延迟了颈缩发生，实现高强度与大塑性的协同。这种三维网络结构使变形机制形成了一个“自增强循环（self-strengthening cycle）”：位错诱发层错→层错促进孪晶→孪晶阻碍位错→受阻位错继续诱发更多层错和孪晶。最终，该循环使合金在室温压缩下获得2966 MPa的高强度与39.6%的大塑性，而在750 ℃高温下仍保持492 MPa的强度，展现出优异的综合力学性能。

TAF-5.5Nb合金中高密度位错、堆垛层错及纳米孪晶的TEM分析

室温压缩后 TAF-5Nb 合金的 TEM 结果

TAF合金与其他TiAl合金力学性能对比

【总结与展望】

本研究通过Nb调控相比例与界面应力，在Ti-46Al-2.8Fe-xNb合金中成功构建高密度位错与纳米孪晶网络，实现了显著的强塑协同。研究揭示了“界面应力-层错-孪晶”之间的连锁强化机制，为TiAl合金提升室温塑性与高温强度提供了新的设计路径。未来，该界面调控策略有望拓展到更高Nb含量或其他轻质高温合金体系，为航空发动机等高温构件开发更高性能的结构材料奠定基础。