关于{10 2}双峰驱动高延展性行为的深入研究——以严重变形的钛合金复合材料为例

《CARBON》：Insight into {10 2} Twinning-Driven High Ductility Behaviors in Severely Deformed Titanium Alloy Composites

钛合金复合材料通过引入硼掺杂石墨烯前驱体，结合球磨、spark plasma sintering、热轧和热处理工艺，形成TiC-TiB混合增强相与{10<2}孪晶协同作用，实现强度1424 MPa和延展性13%的突破性综合性能，机制涉及晶界细化、位错强化及孪晶应变软化效应。

　　

毛晓琪|魏启超

西安稀有金属材料研究院有限公司，中国西安710016

摘要

通过机械加工诱导位错来增强钛合金及其复合材料的强度的传统方法往往会导致延展性的下降。近年来，结构设计策略激发了材料界对变形机制及其对机械性能影响的探索。本文介绍了在采用球磨、火花等离子烧结、热轧和热处理工艺合成的B@Gr/TC4复合材料中引入{10 $$ 2}孪晶结构。这些复合材料通过原位形成的TiC和TiB混合相得到增强，具有1424 MPa的极限抗拉强度（UTS）和13%的断裂伸长率（FE），优于TC4合金（UTS为984 MPa，FE为12%）和Gr/TC4复合材料（UTS为1325 MPa，FE为12%）。复合材料的强度提升主要归因于TiC和TiB混合相钉扎的小角度晶界所导致的晶粒细化和位错强化效应。此外，孪晶诱导的应变软化效应被认为是保持优异延展性的关键机制。本研究提供了一种有效的结构策略，可以同时提高钛基复合材料的强度和延展性。

引言

钛合金及其复合材料由于其优异的比强度[1]、[2]、[3]、[4]，是重要的工业结构材料。然而，同时提高钛合金和钛基复合材料（TMCs）的强度和延展性仍然是一个巨大的挑战[5]、[6]、[7]。虽然引入高比模量的陶瓷颗粒（例如TiC）可以显著增强基体强度，但会在变形过程中在颗粒-基体界面产生局部应力集中。这种应力集中迫使钛基体晶粒朝硬取向旋转，抑制位错滑移，最终导致延展性较差[8]、[9]、[10]。因此，优化微观结构和配置设计对于实现钛基结构材料的强度和延展性的协同作用至关重要。

受到自然结构的启发，人们提出了多种配置设计策略来克服TMCs中的强度-延展性权衡问题，如网络[11]、层压[12]、多芯[13]、梯度[14]和砖石[15]结构。这些策略通常旨在调整增强相的空间分布，以创建一个塑性变形区，从而钝化裂纹尖端并减缓裂纹扩展。尽管取得了这些进展，但这些概念并未从根本上改变界面的高应力特性，使得围绕硬增强相的基体晶粒难以通过位错滑移发生变形。因此，一种新的方法，专注于释放界面应力并激活钛基体内的位错滑移，显得至关重要。

来自金属材料的见解表明，激活变形孪晶是一种可行的途径，可以平衡高强度和低延展性之间的矛盾[16]、[17]、[18]。孪晶的好处有三方面：（1）Hall-Petch强化，即孪晶界面将母晶粒分割，并作为位错运动的障碍；（2）孪晶诱导塑性（TWIP），其中孪晶剪切可以容纳塑性应变并缓解局部应力集中；（3）织构演变，即晶格重定向激活额外的滑移系统——这对于具有有限独立滑移系统的六方密排（HCP）金属尤为重要。例如，在预孪晶化的AZ31镁合金[19]、具有超密孪晶网络的锆合金[20]以及具有高密度孪晶的纯钛[21]中观察到了性能的提升。受这些发现的启发，将孪晶引入TMCs理论上可以释放界面应力并促进位错滑移，从而实现更优异的机械性能。

在这项工作中，我们提出了一种新的策略，使用商业化的Ti-6Al-4V（TC4）粉末和合成的掺硼石墨烯（B@Gr）作为前驱体，通过球磨、火花等离子烧结（SPS）、热轧（HR）和热处理（HT）制备TMCs。与原始石墨烯不同，后者与钛的润湿性和结合性较差[22]，B掺杂可以调节界面处的电子分布，显著增强界面结合（见图S3）。此外，B@Gr作为前驱体在原位反应形成TiC+TiB增强的TC4复合材料（B@Gr/TC4），具有独特的孪晶结构。这种复合材料实现了优异的强度和延展性组合，主要归功于孪晶行为。本文系统地表征了孪晶类型和成核位点，并详细讨论了孪晶影响母晶粒取向和裂纹扩展的机制。

部分摘录

原材料

球形TC4粉末（图S2a；粒径为15-53 μm）购自中国西安的中欧材料科技有限公司，其化学成分列在表S1中。石墨烯（Gr；图S2b；片状直径和厚度分别为0.5-5 μm和0.8-4 nm）和硼酸粉末（H₃BO₃；纯度≥99.9%）分别购自南京XFNANO材料科技有限公司和中国Aladdin公司。所有化学品均可直接使用，无需

结果与讨论

与原始石墨烯（图S2b）相比，B@Gr（图1a）出现了更多的随机皱褶，这归因于B掺杂导致碳原子排列发生畸变[23]。B@Gr的平均厚度约为3.4 nm（图1b），表明其具有与原始石墨烯相同的薄层特性。球磨后的B@Gr/TC4复合粉末（图1c）具有与原始TC4粉末（图S2a）相似的球形和尺寸，这表明两者之间没有显著差异

结论

在这项工作中，采用了一系列球磨、火花等离子烧结、热轧和热处理工艺制备了具有孪晶结构的强韧B@Gr/TC4复合材料。与原始石墨烯相比，由于界面结合力更强，B@Gr复合粉末更容易包裹在TC4粉末表面；在烧结过程中，B@Gr作为增强前驱体与TiC和TiB混合相原位反应，而不仅仅是TiC相

CRediT作者贡献声明

魏启超：方法论、研究、数据分析、数据管理。毛晓琪：撰写初稿、数据管理、概念构思

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢国家自然科学基金（编号：52271138）和陕西省重点研发项目（编号：2025CY-YBXM-549）的资助支持