导读：Re是一种有效的合金元素，可提高钛合金的高温强度和稳定性，但其在强化α相钛合金中的直接作用还没有得到充分的研究。本文报道了一种缺陷介导的策略，该策略能够有效地利用Re在单相α-Ti中的作用。通过将选择性激光熔化与定制热处理相结合，我们制备了含有0.35at.% Re的具有纳米级旋节结构的α-TiRe合金。这种结构通过高密度的几何必需的失配位错来稳定，失配位错捕获Re原子并抑制其高温扩散。结果，该合金在高达700 °C下表现出优异的显微组织稳定性。调幅结构的Ti-0.35Re合金在700 °C下实现了191 MPa的拉伸屈服强度，值得注意的是，它在600至700 °C的温度范围内保持了其强度的68%，而参考合金仅为30%，超过了传统α-Ti系统的典型热极限。这些发现建立了一种位错激活的溶质锁定机制，该机制稳定了非平衡微观结构，并为设计超越传统溶解度约束的高温α-Ti合金开辟了途径。

铼（Re）经常被添加到先进合金中，因为它具有在高温下同时增强强度、抗蠕变性和微观结构稳定性的独特能力。这些效应源于其大原子尺寸、高熔点和过渡金属基质中的缓慢扩散动力学。其中，Re的强化作用主要来自于晶粒细化、固溶强化和促进第二相的纳米级析出。这些机制的综合作用使Re成为高性能结构材料中的关键合金元素，特别是对于在高温条件下需要持续机械强度的应用。

镍基高温合金不同，Re在钛（Ti）合金中不作为常规的块体合金化元素，而是以有针对性的、策略驱动的方式引入，以提高高温性能。具体而言，Re在体心立方（BCC）β-Ti中表现出高溶解度（在600 °C下为42 at.%），并且主要用作β相稳定剂和扩散减慢元素，延缓扩散控制过程，例如位错攀移、相变和显微结构粗化，从而提高高温强度和抗蠕变性。与此形成鲜明对比的是，Re在αTi中的平衡溶解度极其有限，只有微量的（在600 °C时< 0.1 at.%）可溶于六方密堆积（HCP）Ti。尽管Re仍然可以在α-Ti中提供固溶强化，特别是在中间温度下，长时间的高温暴露通常会促进Re偏析或沉淀，从而逐渐降低其长期强化效果。因此，在钛合金中，Re被认为通过稳定和强度来增强高温性能强化β相并细化α相，从而优化合金的高温性能。然而，这种策略本质上依赖于β相稳定化，并且不能直接解决α相的固有限制，α相仍然是许多高温钛合金中的主要相。因此，α相继续表现出相对较快的扩散动力学、有限的高温强度和显微组织不稳定的趋势。探索是否存在一种机制，通过这种机制Re可以在高温下直接强化α相，这是非常有意义的。

本文研究了Re含量高达0.35at.%的单相α-Ti合金（Ti-0.35Re）通过选择性激光熔化（SLM）增材制造，然后进行定制的后处理热处理。有趣的是，获得了纳米级的旋节结构，其中几何上必要的位错作为稳定剂锁定Re扩散。此外，Ti-0.35Re在高达700 ℃的温度下表现出优异的显微组织稳定性，并且在700 ℃下表现出1.191 MPa的拉伸屈服强度。相比之下，没有这种显微组织的相同组成的TiRe合金在相同温度下表现出1.122 MPa的屈服强度。同时，当温度从600 ℃升高到700 ℃时，Ti-0.35Re表现出优异的高温强度保持率为1.68%。相比之下，在缺乏亚稳结构的TiRe合金中，高温强度保持率仅为1.30%，而对于其它常规α-Ti合金，700 °C通常超出其功能工作温度范围。

该项研究成果以“Dislocation-enabled rhenium locking stabilizes high-temperature

spinodal α-Ti”为题，在线发表于国际期刊《Journal of Materials Science & Technology》。浙江大学材料科学与工程学院余倩、赵玉平为该论文通讯作者。该工作得到了浙江省自然科学基金（批准号 LD26E010001）、国家自然科学基金基础科学中心项目（批准号 52588301）、国家杰出青年科学基金（批准号 52325102）和浙江省自然科学基金（批准号 LD24E010006）的资助。

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030226005116?via%3Dihub

图1 Ti-0.35Re合金的显微组织特征。

（a）显示Ti-0.35 Re合金显微组织的SEM图像。插图（Ⅰ）为低倍SEM图像。

（b）Ti-0.35 Re合金、α-Ti（HCP）和β-Ti（BCC）的XRD图谱。

（c）包含基体和片晶相的SAED图谱：（Ⅰ）HCP结构的[0001]区轴;（Ⅱ）HCP结构的[20]区轴;

（d）基体和片晶相的HAADF-STEM图像，以及相应的EDS元素图谱。

图2 Ti-0.35Re合金的错配位错表征。

（a）Ti-0.35Re合金的原子分辨率HAADF-STEM图像，获取区域如插图（Ⅰ）所示。插图（Ⅱ）给出了（a）的相应FFT图谱。黄色虚线标记了富Re相和基体之间的界面，插图（Ⅲ）是（a）中水平法向应变（εxx）的GPA应变场图，插图（Ⅳ）和（Ⅴ）是用浅黄色和红色框起来的区域的放大图像，（b-d）分别在600 °C（± 25分钟）和700 °C（± 23分钟）下热暴露后，在25 °C下g = [0002]衍射矢量下的失配位错的TEM图像。插图（B-Ⅱ）、（c-Ⅱ）和（d-Ⅱ）显示了（B）、（c）和（d）的HAADF图像和相应的EDS元素图。

图3 Ti-0.35Re合金的机械性能。

（a）Ti-0.35Re合金在25，600，（b）本研究中Ti-0.35Re合金的机械性能与其他Ti合金的机械性能的比较。

（c）固溶Ti-0.35Re合金的HAADF-STEM图像和相应的EDS元素映射。用SLM制备的0.35Re合金，插图显示HCP衍射图案的[20]带轴。

（d）具有亚稳结构的Ti 0.35Re合金的工程应力—应变曲线（红线）和固溶Ti-0.35Re合金（e）具有亚稳结构的Ti-0.35Re合金的工程应力—应变曲线（红线）和固溶体Ti-0.35Re合金（黑线）在700 °C下的对比。

图4 Ti-0.35Re合金中移动的位错和失配位错之间的相互作用。

（a，b）在衍射矢量g = [102]和g = [010]下，在25 °C下对Ti-0.35 Re合金进行原位拉伸试验期间捕获的TEM图像，（c）在衍射矢量g = [010]下，在25，600和700 ℃下对Ti-0.35Re合金进行宏观拉伸试验后断裂表面的TEM图像。

（b）和（c）中，黄色虚线表示失配位错阵列，而蓝色虚线表示移动的位错（标记为d1、d1′、d1″、d2、d3等），红色箭头表示位错运动的方向。

结论:

通过SLM增材制造与热处理相结合的方法，成功制备了具有纳米级旋节线分解结构的单相α-Ti 0.35Re合金，这种旋节线分解导致Re原子在分解的片层中明显富集，而不是在基体中形成均匀的固溶体，Re原子的聚集伴随着旋节线结构的形成，导致在板界面处产生错配位错阵列，这些位错阵列构成了一个关键的显微组织特征，它不仅增强了失稳结构的高温稳定性，而且促进了基体内位错的相互作用，因此，Ti 0.35Re合金在700 °C下表现出异常的高温强度保持率，这一发现对提高α-Ti合金的高温性能具有重要意义。钛合金的高温性能，并提供了新的见解的潜在机制，Re，作为一种独特的合金元素，在高温下运行。