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TiAl合金具有低密度、高温力学性能和抗氧化性能良好等特点，是颇具应用潜力的新一代高温结构材料，一些γ+α2两相TiAl合金已进入工程应用。两相变形TiAl合金由于组织-性能可调控空间较大，目前仍是研究和开发的重点之一，尤其热机械处理得到的全层片组织具有优异的高温力学性能，适用于航空发动机高压压气机叶片等部件的工作环境。但是，该组织需通过在α单相区保温后冷却获得，而高温下单相α晶粒的长大较快使得全层片组织通常较粗大，其较低室温塑性不利于部件可靠性。
细化晶粒是提高材料室温塑性的有效途径，目前已尝试并可成功细化TiAl合金全层片组织的途径有：1、将合金在α单相区进行热加工产生细小的再结晶α晶粒，以形成细小全层片组织；2、首先热处理形成近γ组织，然后升温至α单相区，通过α相在γ晶粒中片状析出，获得细小全层片组织；3、利用TiB2等高熔点相抑制单相α晶粒的长大形成细小全层片组织。以上这些方法均可实现全层片组织的细化，但α相区加工温度过高，工程上不易实现；在γ相中析出α相的过程不易控制，其层片间距较大、强度较低；而合金中引入脆性陶瓷相不利于塑性的改善。
近年来，利用高温β相提高TiAl合金热加工性能所形成的三相合金通常晶粒尺寸细小，分析认为β相可有效抑制α晶粒长大。另有研究发现，Ti3Al基合金拉伸后其中的B2相存在滑移带，可见B2相是具有一定变形能力的。因而，本论文针对细化两相TiAl合金全层片组织技术尚存在的问题提出，有可能利用少量且弥散分布的高温β相钉轧α晶粒以获得细小、均匀的全层片组织，该高温β相冷却后转变为B2相应不会对TiAl合金室温塑性产生不利影响。
为实现上述目标，本博士论文拟开展以下几方面研究工作：(1)将在研两相TiAl合金(Ti-47Al-2.5V-1.0Cr-0.3Ni at.％)适当降低Al含量至Ti-46Al-2.5V-1.0Cr-0.3Ni，进行挤压开坯后，观察、分析不同变形量下的开坯组织，选出均匀、细小的等轴再结晶组织用于细化全层片组织的研究；(2)β相对α晶粒的钉轧作用主要取决于β相的数量，而β相的数量主要决定于温度，因而，有必要对选择细小、均匀的变形组织进行系列温度的固溶快淬处理，观察分析该合金β相析出的规律，并讨论β相的钉轧作用；(3)保温时间和冷却速率对β相的形态和分布也有重要影响，故需要研究时间和冷速对合金全层片组织尺寸和其中B2相形态及分布的影响，以提出细小全层片组织且B2相弥散分布的热处理制度；(4)为评价本论文研究是否己获得细小全层片组织又提高了室温塑性，首先对得到的细小全层片组织进行室温拉伸测试，分析层片团细化及引入的B2相对其室温塑性的作用，并测试评价该组织的全面力学性能。
本论文研究发现，挤压比为7的一次挤压组织中动态再结晶数量达到85-90%、其余为残余层片；累计挤压比达到14的二次挤压组织为完全再结晶的等轴晶粒γ+α2组织；当累计挤压比提高至20时，晶粒尺寸未明显进一步减小，再结晶的晶粒均沿挤压方向发生二次变形。因而，选择挤压比为14的变形组织开展获取细小全层片组织的研究。
对变形组织进行高温固溶快淬处理发现，合金在1300-1310℃时尚未见β相析出，固溶处理温度超过1320℃后晶界上开始析出体心立方结构的β相。随温度的升高，β相数量增加、尺寸增大，由针状和球状逐渐变为不规则块状，由弥散分布逐渐变为连续分布。根据晶界上析出相数量和尺寸对晶界钉轧作用程度的计算公式，计算并综合分析得出，自1320至1370℃时，β相对α晶粒产生的钉轧作用随温度升高先增大后减小，在1350℃时钉轧作用最大。
在此基础上，进一步研究了保温时间和冷速对合金微观组织的影响，发现随保温时间延长，B2相数量不变，而尺寸增大，得到的层片组织层片团尺寸增大。随冷速降低，B2相数量减少、尺寸减小，得到的层片组织层团尺寸增大、层片间距增大。综合温度、保温时间及冷速的作用，选用1350℃/5mins/空冷的热处理制度，获得了平均层团尺寸为65μm的细小全层片组织，其平均层片间距为89nm，约含5%B2相、呈条状弥散分布于层团界上。
对得到的TiAl合金细小全层片组织进行室温拉伸测试表明，室温延伸率达2.6-3.0%、抗拉强度在805-825MPa，可见其室温拉伸性能明显优于一般全层片组织和通过其他方法获得的细小全层片组织。采用TEM观察对室温拉伸后组织发现，B2相内有位错穿过，这说明B2相具有一定变形能力并参与了塑性变形。因而，弥散分布于晶界的B2相可起到协调晶界变形的作用，对该细小全层片组织的室温塑性无不利影响。全面性能测试表明，该组织还具备较好高温抗拉强度、持久、蠕变性能和断裂韧性。
本论文研究获得了室温拉伸塑性较好且具有良好高温力学性能的TiAl合金细小全层片组织，有利于提高两相变形TiAl合金的可靠性，是我国航空发动机设计上采用TiAl合金研制高压压气机叶片的重要基础之一。