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本研究通过原位硅合金化放电等离子烧结 (SPS) 及有限元 (FE) 模拟，系统揭示 Ti-Si 合金中 Ti₅Si₃ 颗粒尺寸、体积分数与分布对强韧性的微观调控机理：0.6 wt.% Si 可同时提升强度与延展性，而 >0.9 wt.% Si 因颗粒粗大/团聚导致脆化。

研究背景

Ti-Si 合金兼具高比强度与抗氧化、抗蠕变潜力，但 Si 过量会引发室温脆性；如何在强度-韧性间取得平衡是长期难题。SPS 的快速升/降温与压应力为研究原位合金化效应提供了理想平台。

本文亮点

图文解析

图1 原材料及热力学预测：（a-e）分别为 Ti、Al、Mo、Nb 和 Si 粉末的 SEM 图像，（f）二元 Ti-Si 相图，（g-k）分别为 0Si、0.3Si、0.6Si、0.9Si 和 1.2Si 合金的一轴平衡相图。

图2 XRD 分析及相对密度测量：（a）XRD 图谱；（b）理论密度与相对密度的对比。

图3 含 / 不含 Si 合金化的合金的显微组织演变：（a）0Si，（b）0.3Si，（c）0.6Si，（d）0.9Si，（e）1.2Si 样品，（f）Ti₅Si₃ 化合物颗粒尺寸和体积分数的统计结果，（g）Ti₅Si₃ 化合物显微组织演变的示意图。

图4 含 / 不含 Si 合金化的合金的 EBSD 分析：（a-e）分别为 0Si、0.3Si、0.6Si、0.9Si 和 1.2Si 样品的 IPF 取向图，（f）所有样品的晶粒尺寸。

图5 对 0.6Si 合金进行 TEM 分析：（a）表明存在 α 和 β 相的 TEM 图像，（b、c）化合物颗粒及其 SAED 图样，（d）对应的 EDS 映射图，（e）对应于（b）中区域 A 的 HRTEM 图像，（f、g）分别为 Ti₅Si₃ 和 β-Ti 相的快速傅里叶变换图。

图6 含 / 不含 Si 合金化的合金的拉伸测试结果：（a）代表性拉伸曲线；（b）拉伸性能。

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

图8 选定的 0.6Si 和 1.2Si 样品的有限元模型示意图：（a、b）0.6Si 样品的显微组织及对应的有限元模型示意图，（c）1.2Si 样品的显微组织，（d）Ti₅Si₃ 颗粒均匀分布的 1.2Si 样品的有限元模型，（e）Ti₅Si₃ 颗粒局部聚集的 1.2Si 样品的有限元模型（局部体积分数为 20%）。

图9 模拟与实验真实应力 - 应变曲线对比：（a）实验与模拟真实应力 - 应变曲线；（b）对 1.2Si 样品的验证。

图10 对 0.6Si 样品拉伸断裂处进行 TEM 分析：（a）α 相和 β 相中分布的缠结位错，（b）（a）中区域 1 的放大图，（c）（b）中区域 1 的 SAED 图样，（d）（b）中区域 1 的 HRTEM 图像，（e）HCP α-Ti 相的 FFT 图样，（f）BCC β-Ti 相的 FFT 图样；（g）取自 αs 和 β 之间界面的 IFFT 图像；（h）对应的（d）的 GPA 图像。

图11 在不同应变水平下 0.6Si 和 1.2Si 样品的 Von Mises 应力图：（a-d）0.6Si 样品，（e-h）Ti₅Si₃ 颗粒均匀分布的 1.2Si 样品，（i-l）Ti₅Si₃ 颗粒局部聚集的 1.2Si 样品。

图12 不同样品中 Ti₅Si₃ 颗粒及其附近基体的 Von Mises 应力分布：（a）0.6Si 样品中一轴 Von Mises 应力分布及路径 1 的变化，（b）路径 1 的应力变化；（c）1.2Si 样品中一轴 Von Mises 应力分布及路径 2 的变化，（d）路径 2 的应力变化。

图13 颗粒元素和基体元素的 Von Mises 应力超过其临界应力的区域：（a）0.6Si 样品的颗粒元素，（c）均匀分布颗粒的 1.2Si 样品的颗粒元素，（e）局部聚集颗粒的 1.2Si 样品的颗粒元素；（b）0.6Si 和均匀分布颗粒的 1.2Si 样品的基体元素，（d）均匀分布颗粒的 1.2Si 样品的基体元素，（f）局部聚集颗粒的 1.2Si 样品的基体元素。

总结与展望

研究阐明了“细颗粒-准均匀分布” 是提升Ti-Si 合金综合性能的关键，并为通过调节 Si 含量、烧结参数来精准控制 Ti₅Si₃ 特征提供定量指导。

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