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定向凝固：解锁Mo-Si-Ti-Al合金室温韧性提升密码

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代材料科学领域，Mo-Si-Ti-Al合金凭借其一系列优异性能，成为了备受瞩目的研究对象。该合金具备高熔点的特性，这使其在高温环境下能够保持结构的稳定性，不易发生熔化或变形，满足了航空航天、能源等领域对高温结构材料的需求；其低密度特点，不仅减轻了构件的自身重量，还有助于提高设备的运行效率和降低能耗，在航空航天等对重量要求苛刻的领域具有重要应用价值；高硬度赋予了合金良好的耐磨性，使其适用于制造需要长期承受摩擦的零部件；此外，Mo-Si-Ti-Al合金还展现出优异的高温抗氧化性能，能够在高温有氧环境中形成稳定的氧化膜，有效阻止进一步的氧化腐蚀，延长材料的使用寿命。由于这些卓越的性能，Mo-Si-Ti-Al合金在航空发动机热端部件制造中被视为理想材料，如涡轮叶片、燃烧室等部件，在高温、高压、高速气流冲刷等极端工况下，该合金能够可靠地工作，保障发动机的高效运行；在能源领域，它可用于制造高温炉管、换热器等设备，提高能源转换和利用效率。

然而，Mo-Si-Ti-Al合金在实际应用中面临着一个关键问题，即室温韧性较低。室温韧性不足使得合金在室温下受到外力作用时，容易发生脆性断裂，这严重限制了其在一些对材料韧性要求较高的领域中的应用，也增加了材料加工和成型的难度。例如，在航空航天领域，零部件在装配和使用过程中不可避免地会受到各种外力的作用，如果材料的室温韧性不足，就可能导致零部件在未达到设计寿命时发生突然断裂，引发严重的安全事故；在机械制造领域，低韧性的材料在加工过程中容易出现裂纹、破损等缺陷，降低产品的成品率和质量，增加生产成本。因此，提升Mo-Si-Ti-Al合金的室温韧性成为了当前材料科学研究中的一项紧迫任务，对于拓宽该合金的应用范围、提高相关产品的性能和可靠性具有重要的现实意义。

定向凝固技术作为一种能够精确控制材料凝固过程的先进方法，为改善Mo-Si-Ti-Al合金的室温韧性提供了新的途径。在定向凝固过程中，通过精确控制温度梯度和凝固速率等关键参数，能够使合金中的晶体按照特定的方向生长，形成规则的组织结构。这种规则的组织结构与传统凝固方式得到的随机取向的晶粒结构相比，具有独特的性能优势。例如，定向凝固可以减少晶界的数量和缺陷，降低裂纹萌生和扩展的可能性；同时，通过调整晶体的生长方向，可以使合金在特定方向上具有更好的力学性能，从而有效提高合金的室温韧性。此外，定向凝固技术还能够精确控制合金中各相的分布和形态，进一步优化合金的性能。通过研究定向凝固对Mo-Si-Ti-Al合金室温韧性的影响，可以深入了解合金组织结构与性能之间的内在联系，为开发高性能的Mo-Si-Ti-Al合金材料提供理论基础和技术支持，对于推动材料科学的发展和促进相关产业的进步具有重要的研究价值。

1.2国内外研究现状

1.2.1定向凝固技术的研究进展

定向凝固技术作为材料制备领域的关键技术，在过去几十年中取得了显著的研究进展。早期，定向凝固技术主要用于制备具有特殊取向的金属材料，以满足航空航天等高端领域对材料性能的严格要求。随着研究的深入，该技术逐渐应用于更多领域，包括半导体材料、磁性材料以及复合材料等。

在传统定向凝固技术方面，炉外结晶法是最早出现的定向凝固方法之一。该方法通过在铸型底部冷却、顶部覆盖发热剂的方式，在金属液中建立自上而下的温度梯度，实现铸件的单向凝固。然而，由于所能获得的温度梯度较小且难以控制，导致凝固组织粗大，铸件性能较差，目前主要用于制造小批量、要求不高的零件。功率降低法（PD法）于20世纪60年代被提出，通过分段加热和顺序关闭加热器，使金属液自下而上逐渐凝固，可获得较大的冷却速度，但在凝固过程中温度梯度逐渐减小，柱状晶区较短，组织不够理想，且设备复杂、能耗大，限制了其广泛应用。快速凝固法（HRS法）在Bridgman晶体生长技术基础上发展而来，铸件以一定速度从炉中移出或炉子移离铸件，采用空冷方式，避免了炉膛影响，获得了较高的温度梯度和冷却速度，所获柱状晶间距较长，组织细密挺直，性能得以提高，在生产中有一定应用。液态金属冷却法（LMC法）进一步改进了HRS法的冷却方式，将抽拉出的铸件部分浸入具有高导热系数的液态金属中，提高了冷却速度和固液界面的温度梯度，能得到比较长的单向柱晶，已被用于航空发动机叶片的生产。

近年来，为了进一步提高材料性能，满足不断增长的应用需求，新型定向凝固技术不断涌现。区域熔化液态金属冷却法（ZMLMC法）将区域熔化与液态金属冷却相结合，利用感应加热集中对凝固界面前沿液相进行加热，有效提高了固液界面前沿的温度梯度，最高温度梯度可达1300K/cm，最大冷却速度可达