因具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫以及可變形加工等優(yōu)異性能，顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料（PRTMCs）被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ母咝阅芙Y(jié)構(gòu)工程材料，在航空航天、交通運(yùn)輸?shù)汝P(guān)鍵裝備輕量化方面具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，PRTMCs中增強(qiáng)相的分布方式主要分為均勻分布和非均勻構(gòu)型分布。對(duì)于前者而言，彌散分布的增強(qiáng)相粒子在強(qiáng)化基體的同時(shí)，導(dǎo)致位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的平均自由程減小，使得基體呈現(xiàn)出過高的硬化狀態(tài)。另外還伴隨著基體與增強(qiáng)相粒子因物性與結(jié)構(gòu)差異而導(dǎo)致的形變失配，這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在基于彌散強(qiáng)化型金屬基復(fù)合材料（MMCs）中容易造成應(yīng)變硬化能力下降以及拉伸塑性變差，從而限制MMCs性能優(yōu)勢的充分發(fā)揮。

得益于自然靈感啟發(fā)，以增強(qiáng)相非均勻構(gòu)型分布為要素的設(shè)計(jì)理念成為目前突破MMCs強(qiáng)韌性倒置關(guān)系的重要途徑。通過調(diào)控增強(qiáng)相空間分布特征，已相繼提出了網(wǎng)狀、疊層、多芯、梯度和微納磚砌等典型的MMCs構(gòu)型化設(shè)計(jì)方案。這些方案主要通過增強(qiáng)相非均勻構(gòu)型在其周圍引入基體塑性變形區(qū)，利用基體塑性變形來緩解裂紋尖端的應(yīng)力集中，進(jìn)而減小裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)裂紋偏轉(zhuǎn)和鈍化，從而達(dá)到其強(qiáng)韌性匹配的目的。

然而，目前增強(qiáng)相非均勻構(gòu)型中界面結(jié)構(gòu)多以單一異質(zhì)界面為特點(diǎn)，并未從根本上改變陶瓷增強(qiáng)相與金屬基體彈性模量的顯著差異，使得即使在小變形量下，界面附近也會(huì)產(chǎn)生顯著的應(yīng)力集中，導(dǎo)致增強(qiáng)相及其界面容易成為裂紋源，不利于位錯(cuò)的釘扎和存儲(chǔ)，從而削弱了材料的應(yīng)變硬化能力。根據(jù)最新研究報(bào)道，在金屬及合金材料中通過構(gòu)建晶粒尺寸不同的基體晶區(qū)以形成基體晶區(qū)異構(gòu)，利用粗/細(xì)晶間彼此塑性變形能力的差異激活異質(zhì)變形誘導(dǎo)（HDI）硬化，是解決金屬材料應(yīng)變硬化能力不足，改善其強(qiáng)韌性倒置問題的有效措施。如能在MMCs設(shè)計(jì)中將增強(qiáng)相非均勻構(gòu)型與基體晶區(qū)異構(gòu)相結(jié)合，從而在增強(qiáng)相和基體塑性變形區(qū)之間形成有效的緩沖層，則有望在異質(zhì)界面處激活HDI應(yīng)力，為HDI硬化效應(yīng)的發(fā)揮提供有利條件。理論上，現(xiàn)有MMCs的構(gòu)型設(shè)計(jì)中在一定程度上也具有基體晶區(qū)異構(gòu)的特征，但受非均勻構(gòu)型制備工藝及其構(gòu)型合理化程度的限制，基體晶區(qū)異構(gòu)的特征并不顯著，導(dǎo)致HDI硬化作用得不到有效發(fā)揮，從而使其對(duì)MMCs的應(yīng)變硬化能力提升貢獻(xiàn)極為有限。

在本文中西安理工大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)以自主研發(fā)的球形鈦基復(fù)合粉末為原料（ZL.201910528485.4、CN202210330545.3和US16/883, 657），巧妙利用粉末冶金過程中合金組元的互擴(kuò)散反應(yīng)，使TiBw基于球形復(fù)合粉末自組織形成球團(tuán)狀非均勻構(gòu)型分布，并利用TiBw的釘扎作用在TC4基體中形成可調(diào)控的細(xì)晶區(qū)和粗晶區(qū)，從而原位構(gòu)建出兼具增強(qiáng)相非均勻構(gòu)型和基體晶區(qū)異構(gòu)的新型雙結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料，使材料變形階段的異變誘導(dǎo)硬化和裂紋鈍化效應(yīng)得到充分發(fā)揮。研究結(jié)果表明，雙結(jié)構(gòu)TC4-TiBw復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度較TC4基體合金提升18.86%，而延伸率與基體合金保持相同水平，較均勻結(jié)構(gòu)TC4-TiBw復(fù)合材料提升了230%，實(shí)現(xiàn)了均勻構(gòu)型鈦基復(fù)合材料中幾乎無法實(shí)現(xiàn)的高強(qiáng)度-塑韌性的協(xié)同匹配。相關(guān)研究工作以“Loss-free Tensile Ductility of Dual-structure Titanium Composites via Interdiffusion and Self-organization Strategy”為題在國際頂級(jí)期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》上發(fā)表并取得了相關(guān)專利授權(quán)（ZL202011239448.0.、ZL202011450931.3.）。

論文鏈接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2302234120

該工作由西安理工大學(xué)聯(lián)合西安建筑科技大學(xué)、大阪大學(xué)接合科學(xué)研究所、東莞材料基因高等理工研究院和中科院高能物理研究所共同完成。西安理工大學(xué)劉磊博士生為第一作者，西安理工大學(xué)李樹豐教授為論文第一通訊作者，西安建筑科技大學(xué)時(shí)朋朋教授為共同通訊作者。該工作獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和西安理工大學(xué)博士創(chuàng)新基金項(xiàng)目支持。

圖1. 雙結(jié)構(gòu)TC4-TiBw復(fù)合材料的典型組織和力學(xué)性能

圖2. 雙結(jié)構(gòu)TC4-TiBw復(fù)合材料的HDI硬化

圖3. 基于互擴(kuò)散自組織策略制備雙結(jié)構(gòu)TC4-TiBw復(fù)合材料的工藝示意圖及設(shè)計(jì)概念。

本項(xiàng)工作證明了將增強(qiáng)相非均勻構(gòu)型和基體晶區(qū)異質(zhì)結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合的設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)現(xiàn)鈦基復(fù)合材料強(qiáng)度和塑韌性協(xié)同匹配具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。文章報(bào)告了一種基于粉末冶金法通過合金元素互擴(kuò)散和增強(qiáng)相自組織過程實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)相呈三維球團(tuán)非均勻構(gòu)型的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和制備策略。通過該策略，可在增強(qiáng)相和基體之間原位構(gòu)建出具有兩級(jí)晶粒結(jié)構(gòu)的新型雙結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料，可充分發(fā)揮復(fù)合材料在變形階段的異變誘導(dǎo)硬化和裂紋鈍化效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)均勻構(gòu)型鈦基復(fù)合材料中幾乎無法實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)度–塑韌性的協(xié)同匹配。研究結(jié)果為解決金屬基復(fù)合材料強(qiáng)度和塑韌性倒置嚴(yán)重的難題提供了一種創(chuàng)新性解決方案。該方案有望廣泛應(yīng)用于其他金屬材料和金屬基復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)和功能性提升需求的設(shè)計(jì)和開發(fā)。