作为一种极具应用前景的高温结构材料,TiAl合金由于具有密度低、屈服和蠕变强度高、抗氧化性好等优点而受到广泛的关注。但是,低温脆性和成形性差严重制约了 TiAl合金的实际应用。大量研究通过调整合金成分和优化合金微观组织来改善TiAl合金的力学性能。新一代的TiAl合金通常含有较多的Nb元素,相较于传统的TiAl合金,高Nb-TiAl合金具有更好的屈服强度、蠕变强度以及抗氧化性。最近,相关报道显示,在高Nb-TiAl合金中广泛存在一种具有条纹衬度的调制结构。存在这种调制结构的合金成分为Ti-(40-45)Al-(5-10)Nb(at.%)。目前,已有的研究结果表明,该调制结构的产生可以显著提高TiAl合金的室温塑性和高温强度。因此,深入理解调制结构的形成和组织演化机制对于进一步发展高性能高Nb-TiAl合金具有重要意义。本文主要对高Nb-TiAl合金中调制结构的形成和演化机制进行了实验观察和理论分析,主要的研究结果总结如下:本文首先对高Nb-TiAl合金中调制结构的形成温度进行了研究。实验结果表明,在Ti-45Al-8.5Nb合金中,α2片层内的纳米调制结构可以在675℃及以下的温度形成,而在700℃以上的温度被消除。并且,在700℃以上的温度进行空冷可以阻碍调制结构的形成。对调制结构的相组成进行了 TEM表征,并结合选区电子衍射模拟分析发现,调制结构的相组成为α2+0相。调制结构里的正交相具有O1相结构,即Ti和Nb原子随机占据8g和4c2的Wyckoff点阵。在α2母相中可以生成六种O相变体。O相与α2相的取向关系可以表述为(001)o//(0001)α2及[110]o//[1120]α2。马氏体相变唯像理论分析显示,α2相转变成O相的惯习面为{350}o//{1340}α2。尽管目前文献所报道的Al-Ti-Nb三元相图显示,Ti-45Al-8.5Nb合金中并不能产生O相,但是第一性原理计算的自由能表明,在600℃下,富Nb的O相比贫Nb的α2相更加稳定。因此,Al-Ti-Nb三元相图中O相的稳定存在成分范围还需进一步的修正。对调制结构的HAADF成像和EDS元素分析显示,与α2母相成分相比,O相含有更多的Nb元素,Nb在O相和α2相间的配分系数约为2。根据TEM表征结果,O相可以看作是α2母相中由扩散控制的相分离反应产生的。从α2相转变成O相经历了形核长大的过程。通过对O相在600℃的生长动力学分析,拟合得到了Nb在α2相中的扩散系数约为(1.3±0.2)×10-22 m2s-1。TEM观察结果还表明,在α2相产生O相的数量是随着600℃退火时间的增加而增加的。随着退火时间的增加,O相的形貌将会从初始退火状态时(低体积分数)的细长条状转变成长时间退火(高体积分数)的矩形或方形。同时,为了减少变体间的弹性交互作用,在O相变体的交截处再转变形成了 α2-Ⅱ相。再转变形成的α2-Ⅱ相对于α2-Ⅰ母相绕[0001]轴旋转了～3.4°,并使得单个O相变体产生了一对相互垂直的惯习面。纳米压痕与微观硬度测试分析显示,O相的析出对γ/(α2+O)片层组织产生了显著的强化效应。O相对合金的强化效应可以归因于对α2相片层的细化作用以及相变过程所产生的弹性应变能。室温压缩试验表明,含有调制结构的高Nb-TiAl合金具有更高的压缩强度。TEM显微组织分析表明,调制结构可以对γ相的塑性变形方式产生影响:含调制结构的片层团内,γ相的塑性变形以孪生变形为主;而不含调制结构的合金样品的塑性变形很大程度上源自于γ相内的位错滑移。本文阐明了高Nb-TiAl合金中调制结构的形成和演化机制,并对调制结构对力学性能的影响进行了讨论和分析。本文的研究结果为高Nb-TiAl合金的组织调控与性能提升提供了理论和实验基础。