Рений, как ключевой элемент для повышения высокотемпературной прочности, сопротивления ползучести и стабильности структуры конструкционных материалов, обладает уникальными преимуществами в области высокотемпературных конструкционных материалов. В традиционных разработках титановых сплавов рений в основном используется как стабилизатор объемно-центрированной кубической β-фазы. Благодаря своему большому атомному размеру и медленной диффузионной кинетике, он эффективно подавляет диффузионно-контролируемое укрупнение микроструктуры, тем самым улучшая высокотемпературные механические свойства сплава. Однако эта традиционная стратегия упрочнения в значительной степени зависит от стабильности β-фазы и не позволяет принципиально решить проблему внутреннего ограничения производительности доминирующей гексагональной плотноупакованной α-фазы в титановых сплавах при высоких температурах.

Основная проблема, стоящая перед этой областью, заключается в том, что равновесная растворимость рения в α-титане чрезвычайно низка, а длительное высокотемпературное воздействие легко вызывает серьезную сегрегацию или выделение рения, что приводит к быстрой потере долгосрочного эффекта твердорастворного упрочнения. Это означает, что α-фаза при высоких температурах сохраняет относительно быструю кинетику атомной диффузии, демонстрируя такие недостатки, как недостаточная высокотемпературная прочность и склонность к микроструктурной нестабильности, что сильно ограничивает верхний предел рабочей температуры α-титановых сплавов. Таким образом, как преодолеть термодинамический предел растворимости, одновременно подавляя диффузию рения при высоких температурах и достигая прямого упрочнения и контроля стабильности α-фазы, стало технической задачей, требующей решения при проектировании нового поколения высокотемпературных титановых сплавов.

Для решения вышеуказанных проблем команда под руководством Чжэцзянского университета и других организаций провела систематическое исследование с использованием in-situ TEM системы измерений ZEPTOOLS. Путем сочетания лазерной селективной плавки с термической обработкой команде успешно удалось получить однофазный сплав α-TiRe с наномасштабной модулированной структурой. Впервые был выяснен механизм высокотемпературного упрочнения, в котором массивы геометрически необходимых несоответствующих дислокаций стабилизируют неравновесную структуру, блокируя диффузию атомов рения, достигая при 700°C высокотемпературной прочности и структурной стабильности, значительно превосходящих традиционные α-титановые сплавы.

Название:Dislocation-enabled rhenium locking stabilizes high-temperature spinodal α-Ti
Журнал:Journal of Materials Science & Technology
URL:https://doi.org/10.1016/j.jmst.2026.07.020

Для решения проблемы низкой растворимости рения в α-титановых сплавах и его склонности к сегрегации при высоких температурах исследовательская группа предложила стратегию дефектно-опосредованного регулирования микроструктуры. Путем сочетания технологии лазерной селективной плавки в аддитивном производстве с последующей精细化 термической обработкой был успешно получен однофазный сплав Ti-0.35Re с ГПУ-структурой и атомной долей рения 0,35%. Микроструктурная характеристика показала, что внутри сплава сформировалась наномасштабная структура спинодального распада, в которой ширина пластинчатой рений-богатой фазы составляет около 20 нм, с полностью когерентной границей раздела с α-титановой матрицей. Из-за несоответствия кристаллической решетки, вызванного спинодальным распадом, на когерентных границах и внутри рений-богатой фазы спонтанно образуются высокоплотные массивы геометрически необходимых несоответствующих дислокаций, состоящие в основном из дислокаций типа , что создает в однофазной α-титановой матрице уникальную композитную микроструктуру из нанофаз и дислокационных сетей.

Чтобы выяснить микроскопический механизм действия массивов несоответствующих дислокаций в процессе деформации, исследователи провели in-situ эксперименты по растяжению сплава Ti-0.35Re в режиме контроля перемещения с использованием in-situ держателя для растяжения ZEPTOOLS. Эксперименты зафиксировали в реальном времени чрезвычайно значительное динамическое взаимодействие между подвижными дислокациями и массивами несоответствующих дислокаций. Было обнаружено, что массивы несоответствующих дислокаций на границах раздела действуют как сильные точки закрепления, эффективно препятствуя быстрому продвижению скользящих дислокаций, заставляя их менять направление или переориентироваться вдоль направления массива несоответствующих дислокаций, что приводит к образованию плотных дислокационных запутываний. Это взаимодействие дислокаций, подтвержденное in-situ наблюдением в просвечивающем электронном микроскопе, доказывает, что сеть несоответствующих дислокаций может значительно повысить способность материала препятствовать движению дислокаций в процессе деформации, предоставляя прямые микроскопические механические доказательства высокотемпературного упрочнения сплава.

Что касается высокотемпературной термической стабильности, исследование раскрыло основной физический механизм, с помощью которого массивы несоответствующих дислокаций блокируют диффузию атомов рения. Из-за большого атомного размера рения и его медленной диффузионной кинетики в α-титане высокоплотная сеть несоответствующих дислокаций может захватывать атомы рения, обогащенные в спинодальных слоях, значительно подавляя их дальнодействующую диффузию и сегрегационное укрупнение при высоких температурах. Анализ с помощью просвечивающей электронной микроскопии показал, что после высокотемпературной выдержки при 600°C в течение примерно 25 минут и при 700°C в течение примерно 23 минут наномасштабная спинодальная структура и массивы несоответствующих дислокаций на границах раздела внутри сплава остаются неповрежденными, без заметного укрупнения структуры или фазового распада, демонстрируя исключительно высокую термическую структурную стабильность, что позволяет успешно преодолеть ограничение традиционных α-титановых сплавов, склонных к микроструктурной нестабильности при высоких температурах.

Макроскопические механические испытания дополнительно подтвердили выдающуюся эффективность этой стратегии блокировки атомов рения дислокациями. При высокотемпературных испытаниях на растяжение при 700°C сплав Ti-0.35Re с наномасштабной модулированной структурой продемонстрировал предел текучести до 191 МПа, что значительно выше 122 МПа у контрольного сплава в твердом растворе без модулированной структуры. Что еще более важно, при повышении температуры испытаний с 600°C до 700°C коэффициент сохранения высокотемпературной прочности этого сплава достиг 68%, тогда как у сплава в твердом растворе этот коэффициент составил всего 30%. Это исследование устанавливает новый механизм стабилизации неравновесных микроструктур путем блокировки атомов растворенного вещества несоответствующими дислокациями, доказывая, что рений может служить эффективным высокотемпературным упрочняющим элементом для α-титана, предоставляя важную теоретическую основу и технический путь для преодоления термодинамических ограничений растворимости и разработки новых высокотемпературных титановых сплавов, превосходящих традиционные температурные пределы эксплуатации.

ZEPTOOLS, как китайская компания по производству высокоточных приборов, является ведущим поставщиком решений для in-situ характеризации с помощью электронной микроскопии. Серия решений для in-situ просвечивающей электронной микроскопии PicoFemto, выпущенная компанией, последовательно предоставляла техническую поддержку для значительных результатов исследований как отечественных, так и зарубежных пользователей. На рисунке ниже показан продукт — in-situ держатель для ПЭМ ZEPTOOLS, использованный в этом исследовании: