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，由季华实验室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。季华实验室郝俊杰为第一作者，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、季华实验室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, https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.09.076