近α高温钛合金则是在α型钛合基础上，，，，，，，，加入少量β稳固元素（如Mo，，，，，，，，Nb，，，，，，，，W，，，，，，，，含量通常不凌驾2%)，，，，，，，，形成以α相为主、含少少量β相的显微组织，，，，，，，，因此得名“近α高温钛合金”。。。。。。。这种因素设计既保存了α型钛合金的焦点优势，，，，，，，，又通过微量β相的调控，，，，，，，，提高合金热加工性能及高温性能。。。。。。。近α高温钛合金因其优异的比强度与耐热性，，，，，，，，在航空发念头领域具有主要应用价值[1-3]。。。。。。。古板Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系合金在600℃以上服役时，，，，，，，，因蠕变抗力下降及硅化物粗化导致组织失稳，，，，，，，，制约其高温应用[4]。。。。。。。近年来有学者通过多元合金化设计例如加入一定量的高熔点β稳固元素（Nb、Ta和W等）有用提高了β相稳固性，，，，，，，，通过亚稳β相与α相的协同强化增进钛合金性能提升[5-8]。。。。。。。同时，，，，，，，，有研究发明适量添加稀土元素（如Y和Er等）可以有用细化晶粒，，，，，，，，并在高温时通过晶界钉扎效应抑制晶粒生长[9]，，，，，，，，乐成将钛合金的使用温度区间提升至650~700℃。。。。。。。然而，，，，，，，，在提升基体高温稳固性的同时，，，，，，，，第二相析出行为的精准调控成为平衡合金强塑性的要害。。。。。。。其中，，，，，，，，硅化物的析出行为尤为敏感：粗大硅化物作为应力集中源将显著降低合金韧性，，，，，，，，而细小弥散硅化物可通过Orowan强化机制同步提升强度与塑性[10-12]。。。。。。。这种尺寸效应与漫衍特征的调控高度依赖于合金因素设计，，，，，，，，乐成的因素设计是包管合金性能的基石[13]，，，，，，，，怎样在初始的因素设计中调控硅化物的析出这一问题具有着主要的科学意义。。。。。。。

合金中Zr和Si元素对硅化物析出具有协同调控作用[14-15]。。。。。。。从热力学角度看，，，，，，，，Zr的添加会改变硅化物的形成焓和形核势垒；；；；；；；；同时，，，，，，，，Zr作为中性元素，，，，，，，，通过降低Si在钛基体中的消融度增进硅化物析出，，，，，，，，其含量转变直接影响析出相形态（S1型杆状或S2型椭球形）及漫衍特征[16]。。。。。。。当Si含量凌驾0.5%时，，，，，，，，铸造及退火历程易形成粗大脆性硅化物，，，，，，，，而动态析出（如热轧制历程）可形成纳米级弥散相，，，，，，，，使合金坚持10%以上的室温塑性[17]。。。。。。。值得注重的是，，，，，，，，Zr含量增添虽能增进硅化物析出，，，，，，，，可是过高的Zr含量会显著提高硅化物/基体界面能，，，，，，，，导致奥斯特瓦尔德熟化加剧，，，，，，，，同步增大析出相尺寸与体积分数[18]。。。。。。。这种矛盾效应批注保存Zr/Si元素含量配比最优区间，，，，，，，，现有研究多聚焦于简单Zr元素或Si元素的添加对合金组织和性能的影响，，，，，，，，很少有关于Zr和Si双元素含量配比对合金的组织和性能的影响纪律举行系统探讨。。。。。。。

于以上剖析，，，，，，，，本文基于Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系统，，，，，，，，在合金中添加了适量的β稳固元素，，，，，，，，同时接纳正交试验法设计六种合金因素，，，，，，，，通过真空电弧熔炼制备试样，，，，，，，，系统研究了Zr/Si含量对铸态微观组织、压缩性能及热变形后硅化物析出的影响纪律，，，，，，，，确定最优Zr/Si含量配比，，，，，，，，为高温钛合金因素设计优化提供理论指导。。。。。。。

1、试验质料及要领

1.1　试验质料及因素设计

本研究所选用的高温钛合金系统为Ti-Al-Sn-ZrMo-Nb-W-Si-C，，，，，，，，同时运用正交试验法改变其中Zr/Si元素含量，，，，，，，，设计了6种合金因素，，，，，，，，合金详细的因素见表1。。。。。。。熔炼选用的原质料为质量分数大于99%的海绵钛、海绵锆、铝块、锡粒、结晶硅和碳粉。。。。。。。其余元素接纳中心合金如：Al-Mo（Mo为50.5%）合金、Al-Nb（Nb为52.5%）合金和Al-W（W为53.7%）合金加入。。。。。。。

表1近α高温钛合金选用因素（质量分数，，，，，，，，%）

1.2　合金熔炼及等温热-力模拟试验

选用的熔炼要领为真空非自耗电弧熔炼法，，，，，，，，每种近α高温钛合金因素均熔炼两个纽扣锭。。。。。。。等温热压缩试验使用的仪器为Gleeble-3800型热/力模拟试验机。。。。。。。在热压缩试验举行前，，，，，，，，需对纽扣锭举行1200℃/20min/水淬的固溶处置惩罚。。。。。。。为了阻遏氧元素的滋扰，，，，，，，，固溶处置惩罚全历程在氩气情形下举行。。。。。。。通过线切割机床切取纽扣锭中心部位的尺寸为Φ7mm×10.5mm圆柱体热压缩试样。。。。。。。为了减小热压缩试样外貌对热变形历程的影响，，，，，，，，依次使用80目、360目、600目、800目、1000目、1500目、2000目砂纸对试样举行机械打磨。。。。。。。热压缩试验均在真空情形下举行，，，，，，，，首先将试样与热电偶毗连并加热至900℃，，，，，，，，保温5min后最先举行试验。。。。。。。选择的变形速率为0.01s-1，，，，，，，，真实应变为0.7。。。。。。。

1.3　显微组织视察

为了镌汰试验误差，，，，，，，，试样的取样位置均接纳试样的中心部位。。。。。。。纽扣锭的金相显微组织（OM）选用型号为DM2700MRL的显微镜举行视察。。。。。。。金相试样的制作流程包括机械研磨、电解抛光和侵蚀。。。。。。。；；；；；；；笛心ニ∮玫纳爸侥渴肷鲜龃χ贸头Ｈ妊顾跏匝恢。。。。。。。抛光液配比为高氯酸∶正丁醇∶甲醇=1∶3∶6。。。。。。。侵蚀所用的试剂配比为氢氟酸∶硝酸∶去离子水=3∶5∶92。。。。。。。接纳X射线衍射仪对差别合金因素试样举行物相组成检测剖析。。。。。。。测试使用的参数是电压：40kV，，，，，，，，电流：40mA，，，，，，，，衍射规模为20°~90°，，，，，，，，步长为2°/min。。。。。。。使用德国ZEISSGeimini300场发射扫描电子显微镜对试样举行BSE表征。。。。。。。试样处置惩罚流程为机械研磨加抛光。。。。。。。本研究所涉及的所有统计数据均使用origin软件举行处置惩罚。。。。。。。所有用于显微组织视察的试样尺寸均统一为2mm×6mm×8mm的长方体小块。。。。。。。

2、试验效果与讨论

2.1　压缩前的微观结构

举行XRD剖析以确定铸态合金中的物相组成，，，，，，，，由图1（a）可以看出，，，，，，，，差别Zr和Si含量的合金因素中均含有α相和β相，，，，，，，，α相的含量较β相更多，，，，，，，，同时，，，，，，，，改变Zr和Si元素的含量也不会改变钛合金中相的种类。。。。。。。并且随着Zr和Si含量的增添，，，，，，，，（110）β相的衍射峰强增添，，，，，，，，（11-20）α相和（10-11）α相的衍射峰强下降。。。。。。。Zr作为中性元素，，，，，，，，与Ti同属于ⅣB族，，，，，，，，原子半径相近，，，，，，，，可以通过置换Ti的原子位点，，，，，，，，从而完全固溶到基体中，，，，，，，，可是过量的Zr固溶会导致α相的晶格畸变[19]，，，，，，，，降低其热力学稳固性，，，，，，，，反而会增进β相的形成。。。。。。。Si元素为弱β型共析元素，，，，，，，，在β相中消融度较高，，，，，，，，铸态条件下固溶于基体中会稍微增强β相峰。。。。。。。在图1（b）中，，，，，，，，Zr含量的增添使得（11-20）α相的衍射峰显着向左偏移。。。。。。。这证实晰Zr含量高会导致α相的晶格畸变增大，，，，，，，，使得α相的晶格常数增大。。。。。。。凭证Bragg方程可知，，，，，，，，晶格常数的增大会导致其衍射峰向左爆发移动，，，，，，，，移动幅度随着Zr含量的升高而加剧。。。。。。。比照差别Si元素，，，，，，，，在低Zr含量时，，，，，，，，Si含量的升高会使（11-20）α相稍微向右偏移，，，，，，，，而高Zr含量合金中，，，，，，，，Si含量的升高对（11-20）α相峰偏移无显着影响。。。。。。。Si在α相中有一定固溶度，，，，，，，，Si原子比Ti。。。。。。。，，，，，，，增添Si的含量会引起α相的晶格缩短。。。。。。。有研究批注[20]，，，，，，，，Zr会增进Ti和Si元素的偏聚，，，，，，，，增进硅化物的析出。。。。。。。在高Zr合金中，，，，，，，，Si含量的升高会增进析出相的形成，，，，，，，，而不进入α相，，，，，，，，因此α相的峰位无显着偏移。。。。。。。

计。。。。。。。？？？？？？？梢钥闯觯，，，，，，，铸态合金的微观组织均为魏氏组织，，，，，，，，可是原始β晶粒的巨细似乎并纷歧致。。。。。。。详细的β晶粒尺寸如图2（g）所示，，，，，，，，无论提升Zr的含量照旧提升Si的含量，，，，，，，，都会使β晶粒尺寸降低。。。。。。。凭证凝固理论[21]，，，，，，，，单位面积内晶粒生长的尺寸巨细与晶粒数目呈反比，，，，，，，，当晶粒数目越多时，，，，，，，，晶粒尺寸就会越小。。。。。。。晶粒数目可通过公式（1）盘算：

式中：ZS代表晶粒数目，，，，，，，，N代表晶粒形核率，，，，，，，，Vg代表晶粒生长速率。。。。。。。究其实质，，，，，，，，β晶粒尺寸的巨细取决于晶粒形核率以及晶粒生长速率。。。。。。。在钛合金中，，，，，，，，Zr原子的扩散速率低于Ti原子的自扩散速率[22]。。。。。。。导致Zr原子在固液界眼前沿的液相中富集，，，，，，，，形成因素过冷区域，，，，，，，，扩大了形核驱动力，，，，，，，，会增进更多晶粒形成。。。。。。。而添加更高含量的Zr意味着保存更多的因素过冷区域，，，，，，，，凝固历程中β晶粒最先形成，，，，，，，，因此比照低Zr合金，，，，，，，，在高Zr合金中的原始β晶粒尺寸会更低。。。。。。。当Si含量较高时，，，，，，，，在溶质富足的条件下Si易于与Ti和Zr反应天生Ti5Si3等金属间化合物或者S2型硅化物。。。。。。。这些细小的第二相由于凝固历程中冷却速率太快不会进一步长大，，，，，，，，可是其可以作为异质形核的基底，，，，，，，，降低形核所需的能量势垒，，，，，，，，从而显著提高形核率，，，，，，，，延缓晶粒长大速率，，，，，，，，最终导致合金的晶粒尺寸降低。。。。。。。

进一步视察铸态合金的BSE形貌，，，，，，，，如图3所示，，，，，，，，可以看出在差别Zr含量的合金内部，，，，，，，，α片层保存较大差别。。。。。。。当Zr含量为6%时，，，，，，，，α片层厚度和长径比最大，，，，，，，，大都片层位向关系为平直排列。。。。。。。当Zr含量划分增至9%和12%时，，，，，，，，α片层厚度一连减。。。。。。。，，，，，，，排列偏向泛起随机化，，，，，，，，整体为编织状，，，，，，，，12Zr-0.45Si合金中会有白色椭球形析出相在α/β相界面以及剩余β相处偏聚析出，，，，，，，，为了确定析出相的因素，，，，，，，，后续需要举行进一步剖析。。。。。。。

当Zr含量确定，，，，，，，，Si含量增添时，，，，，，，，α片层排列随机漫衍。。。。。。。这是由于合金的β转变温度随着Zr和Si元素的添加而降低，，，，，，，，即从热力学角度，，，，，，，，实质为相变驱动力的降低。。。。。。。当Zr和Si含量提升时，，，，，，，，内部过剩的吉布斯自由能增添，，，，，，，，相对熵值增大，，，，，，，，合金系统处于更高能量状态，，，，，，，，内部杂乱度增添，，，，，，，，这种不稳固性促使凝固历程中通过位向随机化降低自由能，，，，，，，，片层α的有序排列不再是最稳固的状态。。。。。。。

对α片层厚度转变举行详细统计，，，，，，，，如图3（g）所示。。。。。。。铸态钛合金中的α片层是在β相冷却历程中剖析形成的。。。。。。。钛合金在高温下为β相，，，，，，，，在冷却历程中会爆发β相向α相的转变[23]。。。。。。。凭证图2，，，，，，，，已知高Zr和Si合金的原始β晶粒细化，，，，，，，，因此在冷却时这些细化的β晶粒；；；；；；；崽峁└嗟摩料嘈魏宋坏悖，，，，，，，增添α片层形核率。。。。。。。同时由于Si在α和β相中的固溶度差别，，，，，，，，Si会在α/β相界面处富集，，，，，，，，这些富集的Si元素在降低界面处β相变点的同时也会引原由素过冷，，，，，，，，增进β相界面处的α片层快速形核。。。。。。。

图4为12Zr-0.45Si合金的BSE放大图和白色析出相对应的能谱衍射峰。。。。。。。图4（b）可以显着视察到析出相的偏聚情形。。。。。。。通过检测白色析出相中的各个元素含量浓度，，，，，，，，可以发明其中Zr、Si的含量显着高于基体中原子质量分数，，，，，，，，凭证硅化物的元素含量比例关系，，，，，，，，可以确定这些白色析出相为硅化物，，，，，，，，这一效果与李等人的研究相吻合[24]。。。。。。。

2.2　差别Zr和Si含量钛合金的室温热压缩性能

图5为差别Zr和Si含量合金的室温压缩曲线和性能柱状图。。。。。。。由图5（a）可知，，，，，，，，六种合金的应力应变曲线整体转变趋势一致，，，，，，，，均是一直在上升抵达最大压缩应力后断裂。。。。。。。这是由于在压缩历程中爆发了加工硬化，，，，，，，，外部一直施加压力使得塑性变形一直响应[25-27]。。。。。。。？？？？？？？梢苑⒚鱖r和Si含量的增添均会使得合金的塑性下降，，，，，，，，9Zr-0.1Si合金的塑性最好。。。。。。。当合金中的Si含量一准时，，，，，，，，Zr的增添会使合金的强度先上升后下降。。。。。。。由此可知，，，，，，，，在钛合金中适当的添加Zr元素和Si元素可以改善力学性能，，，，，，，，可是若是元素过量则会响应地恶化其性能。。。。。。。其中9Zr0.45Si的钛合金强度最高为1965MPa，，，，，，，，综合性能较好。。。。。。。

2.3　差别Zr和Si含量钛合金的热模拟试验

为了剖析差别合金因素的钛合金在统一热变形条件下的组织演化，，，，，，，，对这六种合金举行900℃热模拟试验。。。。。。。凭证对铸态试样的视察已知，，，，，，，，合金内部保存偏聚的硅化物，，，，，，，，故为了利便研究后续热压缩历程中硅化物的析出，，，，，，，，在热压缩试验最先前对这六种合金在1200℃保温20min后水冷以将铸态的硅化物所有重新消融入基体中。。。。。。。图6为差别Zr和Si含量高温钛合金的热模拟曲线。。。。。。。在热模拟初期，，，，，，，，随着应变的增添，，，，，，，，应力急速攀升。。。。。。。这是由于变形初期爆发了加工硬化[28-29]，，，，，，，，位错密度上升，，，，，，，，位错爆发增殖，，，，，，，，运动中的位错相互缠结并塞积，，，，，，，，位错运动受到阻碍。。。。。。。在即将抵达峰值应力之前，，，，，，，，应力上升趋势削弱，，，，，，，，斜率降低。。。。。。。这是由于随着变形的举行，，，，，，，，合金即将爆发动态回复（DRV）和动态再结晶（DRX），，，，，，，，这个历程通过大宗消耗质料内部贮存的位错能量，，，，，，，，促使位错密度逐渐降低，，，，，，，，位错缠结和群集获得缓解，，，，，，，，从而有用抑制加工硬化。。。。。。。当应变水平凌驾临界值后，，，，，，，，质料内部的位错湮灭速率将逾越增殖速率，，，，，，，，此时流变应力曲线在抵达峰值后泛起一连下降特征，，，，，，，，体现出显着的软化趋势，，，，，，，，此时动态软化占有主导。。。。。。。

2.4　差别Zr和Si含量钛合金热模拟后微观组织演变

图7为热模拟后差别Zr和Si含量的钛合金BSE形貌。。。。。。。经由热压缩后，，，，，，，，α片层爆发了强烈扭转，，，，，，，，同时有部分等轴α相析出，，，，，，，，这些等轴α相是由片层α经由动态再结晶转变而来。。。。。。。由于我们选用的变形速率较低，，，，，，，，经由长时热变形后，，，，，，，，合金的动态回复水平会越发显著，，，，，，，，这意味着在加工硬化阶段爆发的位错大部分会被消耗，，，，，，，，再结晶的驱动力降低，，，，，，，，使得该变形参数下合金照旧以动态回复为主。。。。。。。所有因素的合金内部均泛起了硅化物，，，，，，，，可是硅化物析出密度差别显着。。。。。。。当Si含量为0.1%，，，，，，，，Zr含量为6%时，，，，，，，，此时析出的硅化物数目最少。。。。。。。Zr含量增添至9%时，，，，，，，，硅化物数目显着增多，，，，，，，，这说明在形核驱动力足够的条件下，，，，，，，，Zr的添加会增进硅化物的析出。。。。。。。当Zr含量增添至12%时，，，，，，，，热压缩历程中析出的硅化物无显着转变。。。。。。。这是由于Si的含量较低，，，，，，，，限制了硅化物的进一步析出。。。。。。。当Si含量提升至0.45%时，，，，，，，，热压缩历程中析出的硅化物数目比照xZr-0.1Si合金均显着增多。。。。。。。

由此说明，，，，，，，，在变形条件一致时，，，，，，，，Zr、Si含量的提升均会增进硅化物的析出。。。。。。。同时随着Zr含量从6%增添至12%时，，，，，，，，硅化物数目进一步提高。。。。。。。其中9Zr-0.45Si合金中析出的硅化物较为细小且弥散，，，，，，，，可以最大化施展析出强化的效果，，，，，，，，同时弥散析出的第二相也不会对塑性造成较大损失。。。。。。。而12Zr-0.45Si合金中的硅化物尺寸增大而密度降低，，，，，，，，硅化物倾向于漫衍在剩余β相处[30]，，，，，，，，晶粒内部的硅化物数目显著减。。。。。。。，，，，，，，引起偏聚，，，，，，，，这会恶化合金的力学性能。。。。。。。综上所述，，，，，，，，比照这六种合金，，，，，，，，9Zr0.45Si合金体现出最优的因素组合。。。。。。。

3、结论

（1）Zr和Si元素含量的增添均会引起晶格畸变，，，，，，，，Zr会使α-Ti衍射峰左移，，，，，，，，在低Zr合金中，，，，，，，，Si会使α-Ti衍射峰右移，，，，，，，，但在高Zr合金中特殊添加Si含量对α-Ti衍射峰偏移无影响。。。。。。。Zr和Si元素含量的增添会细化铸态

合金中的原始β晶粒和片层α厚度。。。。。。。别的，，，，，，，，Zr和Si含量越高，，，，，，，，α片层的位向关系越随机。。。。。。。

（2）当合金中的Si含量确准时，，，，，，，，Zr含量的增添会使塑性逐渐降低，，，，，，，，可是强度会先增添后减。。。。。。。，，，，，，，减小的强度与析出的硅化物偏聚有关。。。。。。。9Zr-0.45Si合金的强度最高，，，，，，，，体现出最佳的综合性能。。。。。。。

（3）热模拟试验中，，，，，，，，差别因素合金的应力应变曲线均体现出加工硬化和动态软化两个阶段。。。。。。。热压缩后，，，，，，，，等轴α相析出，，，，，，，，初始片层α相扭转，，，，，，，，说明在变形历程中爆发了动态再结晶和动态回复。。。。。。。在动态软化阶段，，，，，，，，动态回复占有主导。。。。。。。

（4）热压缩后，，，，，，，，9Zr-0.45Si合金中析出的硅化物较为弥散且细。。。。。。。，，，，，，，可以最大化施展析出强化的效果。。。。。。。综合思量，，，，，，，，Zr含量为9%，，，，，，，，Si含量为0.45%时，，，，，，，，该合金因素性能组合最优。。。。。。。

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（注，，，，，，，，原文问题：差别Zr/Si含量对近α高温钛合金组织和性能的影响）