西安理工复材顶刊：巧妙设计并制备出球团状异质结构钛基复合材料

非连续增强钛基复合材料（DRTMCs）因具有低密度、高比强度、高比模量、优异的耐磨性和良好的高温力学性能等特点，被认为是航空航天和轨道交通领域极具潜力的候选结构材料之一。尽管强度有所提高，但随着增强相含量的增加会导致DRTMCs的延伸率显著降低，限制DRTMCs的广泛应用。异质晶粒结构设计近年来在克服DRTMCs强度-塑性倒置严重的难题方面展现出令人振奋的发展前景。然而，由于DRTMCs在制备过程中的复杂性和不可控性，DRTMCs中实现可订制的基体晶区异构仍然是一项艰巨的挑战。

针对于此，西安理工大学粉末冶金与金属基复合材料课题组基于粉末冶金过程中合金组元间的互扩散反应机制，提出通过熔铸─电极感应熔炼气雾化（ EIGA ）制粉─粉末冶金的全流程工艺方案，巧妙地设计并制备出组织和性能呈各向同性的三维球团状异质结构 Ti64-TiBw 复合材料。该异质结构展现出优异的强度-塑性协同变形能力，为克服金属基复合材料强度-韧性倒置的典型问题提供了有益的解决方案。本工作是在前期《美国科学院院刊》（ PNAS ）发表论文工作的基础之上，对互扩散 - 自组织策略的反应和组织形成机理进行了深入的系统解析和讨论，为该策略的进一步发展和广泛应用提供了坚实的实验基础。

相关研究工作以“ Synthesis mechanism of pelleted heterostructure Ti64–TiB composites via an interdiffusion and self-organization strategy based on powder metallurgy ”为题在复合材料领域顶刊《 Composites Part B: Engineering 》（ IF=13.1 ）上发表。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111366

研究结果表明，三维球团状异质结构 Ti64-TiBw 复合材料的形成主要由 Ti 和 Al 之间互扩散以及互扩散反应诱导的 TiBw 自组织过程驱动。在粉末烧结过程中，熔融的 Al 液会填充球形 Ti-TiBw 复合粉末间隙，并与 Ti 通过互扩散反应在球形 Ti-TiBw 复合粉末表面形成 Ti-Al 金属间化合物层，在随后的烧结过程中随着 Ti-Al 金属间化合物层的分解和合金元素互扩散的进行，基体最终形成了 Ti64 的合金基体，三维球团状 TiBw 富集区中基体晶粒因 Zener 钉扎效应形成细晶区，而在其周围的 TiBw 贫瘠区形成粗晶区，从而获得组织和性能呈各向同性的三维球团状异质结构 DRTMCs 。

该工作西安理工大学为第一署名单位，材料学院博士生刘磊为论文第一作者，西安理工大学李树丰教授和日本大阪大学Katsuyoshi Kondoh教授为论文的共同通讯作者。该工作获得国家重点研发计划项目（2021YFB3701203）、陕西省重点科技创新团队项目（2023-CX-TD-46）、国家自然科学基金项目（52201165）和西安理工大学博士创新基金项目（310-252072101）支持。李树丰教授团队已在钛合金及钛基复合材料的强韧化和高温性能研究方面发表多篇高水平研究论文，包括《Proceedings of the National Academy of Sciences of America》， 《International Journal of Plasticity》，《Additive Manufacturing》， 《Carbon》和《Composites Part B》等国际顶级期刊。

图1. 三维球团状异质结构Ti64-TiBw复合材料的微观组织形貌

图2. 熔铸—EIGA制粉工艺制备的球形Ti-TiBw复合材料的微观组织形貌

图3. 不同烧结温度下三维球团状异质结构Ti64-TiBw复合材料的微观组织演变

图4. TiBw贫瘠区内基体晶粒尺寸 随烧结温度的变化

图5. TiBw富集区内基体晶粒尺寸随烧结温度的变化

图6. 三维球团状异质结构Ti64-TiBw复合材料的形成过程示意图

来源：材料科学与工程，感谢论文作者团队的大力支持。