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本研究通過(guò)原位硅合金化放電等離子燒結(jié) (SPS) 及有限元 (FE) 模擬，系統(tǒng)揭示 Ti-Si 合金中 Ti?Si? 顆粒尺寸、體積分?jǐn)?shù)與分布對(duì)強(qiáng)韌性的微觀調(diào)控機(jī)理：0.6 wt.% Si 可同時(shí)提升強(qiáng)度與延展性，而 >0.9 wt.% Si 因顆粒粗大/團(tuán)聚導(dǎo)致脆化。

研究背景

Ti-Si 合金兼具高比強(qiáng)度與抗氧化、抗蠕變潛力，但 Si 過(guò)量會(huì)引發(fā)室溫脆性；如何在強(qiáng)度-韌性間取得平衡是長(zhǎng)期難題。SPS 的快速升/降溫與壓應(yīng)力為研究原位合金化效應(yīng)提供了理想平臺(tái)。

本文亮點(diǎn)

圖文解析

圖1 原材料及熱力學(xué)預(yù)測(cè)：（a-e）分別為 Ti、Al、Mo、Nb 和 Si 粉末的 SEM 圖像，（f）二元 Ti-Si 相圖，（g-k）分別為 0Si、0.3Si、0.6Si、0.9Si 和 1.2Si 合金的一軸平衡相圖。

圖2 XRD 分析及相對(duì)密度測(cè)量：（a）XRD 圖譜；（b）理論密度與相對(duì)密度的對(duì)比。

圖3 含 / 不含 Si 合金化的合金的顯微組織演變：（a）0Si，（b）0.3Si，（c）0.6Si，（d）0.9Si，（e）1.2Si 樣品，（f）Ti?Si? 化合物顆粒尺寸和體積分?jǐn)?shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，（g）Ti?Si? 化合物顯微組織演變的示意圖。

圖4 含 / 不含 Si 合金化的合金的 EBSD 分析：（a-e）分別為 0Si、0.3Si、0.6Si、0.9Si 和 1.2Si 樣品的 IPF 取向圖，（f）所有樣品的晶粒尺寸。

圖5 對(duì) 0.6Si 合金進(jìn)行 TEM 分析：（a）表明存在 α 和 β 相的 TEM 圖像，（b、c）化合物顆粒及其 SAED 圖樣，（d）對(duì)應(yīng)的 EDS 映射圖，（e）對(duì)應(yīng)于（b）中區(qū)域 A 的 HRTEM 圖像，（f、g）分別為 Ti?Si? 和 β-Ti 相的快速傅里葉變換圖。

圖6 含 / 不含 Si 合金化的合金的拉伸測(cè)試結(jié)果：（a）代表性拉伸曲線；（b）拉伸性能。

圖7 合金的斷口分析：（a）0Si，（b）0.3Si，（c）0.6Si，（d）0.9Si 和（e、f）1.2Si 合金。

圖8 選定的 0.6Si 和 1.2Si 樣品的有限元模型示意圖：（a、b）0.6Si 樣品的顯微組織及對(duì)應(yīng)的有限元模型示意圖，（c）1.2Si 樣品的顯微組織，（d）Ti?Si? 顆粒均勻分布的 1.2Si 樣品的有限元模型，（e）Ti?Si? 顆粒局部聚集的 1.2Si 樣品的有限元模型（局部體積分?jǐn)?shù)為 20%）。

圖9 模擬與實(shí)驗(yàn)真實(shí)應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線對(duì)比：（a）實(shí)驗(yàn)與模擬真實(shí)應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線；（b）對(duì) 1.2Si 樣品的驗(yàn)證。

圖10 對(duì) 0.6Si 樣品拉伸斷裂處進(jìn)行 TEM 分析：（a）α 相和 β 相中分布的纏結(jié)位錯(cuò)，（b）（a）中區(qū)域 1 的放大圖，（c）（b）中區(qū)域 1 的 SAED 圖樣，（d）（b）中區(qū)域 1 的 HRTEM 圖像，（e）HCP α-Ti 相的 FFT 圖樣，（f）BCC β-Ti 相的 FFT 圖樣；（g）取自 αs 和 β 之間界面的 IFFT 圖像；（h）對(duì)應(yīng)的（d）的 GPA 圖像。

圖11 在不同應(yīng)變水平下 0.6Si 和 1.2Si 樣品的 Von Mises 應(yīng)力圖：（a-d）0.6Si 樣品，（e-h）Ti?Si? 顆粒均勻分布的 1.2Si 樣品，（i-l）Ti?Si? 顆粒局部聚集的 1.2Si 樣品。

圖12 不同樣品中 Ti?Si? 顆粒及其附近基體的 Von Mises 應(yīng)力分布：（a）0.6Si 樣品中一軸 Von Mises 應(yīng)力分布及路徑 1 的變化，（b）路徑 1 的應(yīng)力變化；（c）1.2Si 樣品中一軸 Von Mises 應(yīng)力分布及路徑 2 的變化，（d）路徑 2 的應(yīng)力變化。

圖13 顆粒元素和基體元素的 Von Mises 應(yīng)力超過(guò)其臨界應(yīng)力的區(qū)域：（a）0.6Si 樣品的顆粒元素，（c）均勻分布顆粒的 1.2Si 樣品的顆粒元素，（e）局部聚集顆粒的 1.2Si 樣品的顆粒元素；（b）0.6Si 和均勻分布顆粒的 1.2Si 樣品的基體元素，（d）均勻分布顆粒的 1.2Si 樣品的基體元素，（f）局部聚集顆粒的 1.2Si 樣品的基體元素。

總結(jié)與展望

研究闡明了“細(xì)顆粒-準(zhǔn)均勻分布” 是提升Ti-Si 合金綜合性能的關(guān)鍵，并為通過(guò)調(diào)節(jié) Si 含量、燒結(jié)參數(shù)來(lái)精準(zhǔn)控制 Ti?Si? 特征提供定量指導(dǎo)。

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