通过铝的双重作用，克服TiC增强钛基复合材料中的强度-延展性trade-off（权衡）问题

《Materials Science and Engineering: A》：Overcoming the strength-ductility trade-off in TiC-reinforced titanium matrix composites via the dual role of aluminum

　　

黄世星|雷帅|杨忠|高琳兰|王创|赵秦阳|岳旭|童晓乐|林成|赵永清

西安工业大学材料科学与化学工程学院，中国西安，710021

摘要

钛基复合材料（TMCs）由于其卓越的比强度、耐腐蚀性和高温稳定性，成为航空航天、汽车和其他高科技领域先进轻量化结构应用的极具前景的候选材料。然而，陶瓷增强型TMCs中固有的强度-延展性trade-off严重限制了其在大规模工程应用中的使用。为了解决这一瓶颈，本研究系统地探讨了铝（Al）对钛基体和原位合成的TiC增强体双重调控作用。通过结合多尺度微观结构表征、力学测试和第一性原理计算，全面阐明了Al添加在TMCs中诱导的协同强化和变形适应机制。结果表明，增加Al含量（2-6wt.%）显著细化了TMCs的基体微观结构：α相从针状转变为棒状，同时细小的次级α相（α_s）的体积分数显著增加。更重要的是，Al在原子尺度上溶解到非化学计量的TiC_x增强体中，降低了TiC_x的堆垛错能（SFE），增强了其局部变形适应能力。得益于这两种效应，TMCs实现了更好的强度-延展性平衡：极限抗拉强度达到1235 MPa，屈服强度达到1064 MPa，并保持了合理的塑性（伸长率为10%）。强化机制包括晶粒细化、Al诱导的固溶强化、基体向TiC的载荷传递以及Orowan型位错障碍强化。同时，细化的基体、强化的TiC/基体界面结合以及Al改性的TiC变形适应性共同缓解了应力集中，保持了延展性。本研究提供了一种通过添加Al来调节TMC性能的新颖且经济有效的策略，为高性能TMC的开发提供了可行的指导。

引言

钛基复合材料（TMCs）因其卓越的比强度、耐磨性、耐腐蚀性和高温稳定性而受到广泛关注[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。根据增强方式的不同，TMCs大致分为间断增强型（DRTMCs）和连续增强型（CRTMCs）[6]、[7]。DRTMCs因其各向同性的力学响应、良好的热机械加工性、微观结构设计灵活性和成本效益而受到特别青睐[8]、[9]、[10]。

作为决定性能提升的关键组分，增强相极大地影响了TMCs的整体力学行为。其内在特性，包括刚性、形态、空间分布、体积分数和界面结合状态，共同决定了载荷传递效率。此外，间断增强体通过晶界钉扎和再结晶过程中的粒子诱导成核有效细化了基体微观结构，从而协同提升了综合性能[11]、[12]。在常见的陶瓷增强体（如TiB[13]、SiC[14]）中，TiC被认为是与钛基体最兼容的候选材料之一，因为它具有高弹性模量、优异的热稳定性，以及与钛基体相近的热膨胀系数（CTE）[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。此外，原位合成已成为将TiC引入TMCs的主要方法，因为它具有固有的优势：热力学稳定性、无有害反应层的原子级清洁的增强体/基体界面以及优异的界面结合强度[20]。

尽管TMCs具有优异的强度，但由于基体与增强体之间的严重变形不兼容性，它们不可避免地会牺牲塑性及损伤容忍度。合金化是调节基体性能和缓解这一限制的主要策略。例如，赵等人[21]证明了Cr的添加可以提高钛合金的耐热性，而黄等人[22]报告称Nb和Ta显著提高了高温抗氧化性。Kotov等人[23]进一步发现，增加Mo含量可以促进晶粒的长条形形态并提高β相的体积分数，从而同时增强强度和韧性。在合金化元素中，Al作为最普遍的α稳定元素，已被广泛研究。众所周知，Al通过固溶强化来增强钛合金，尽管通常会以较大的延展性损失为代价[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。然而，与整体钛合金不同，TMCs是异质系统；因此，不能仅基于其对基体的影响来评估合金化元素的作用。TMCs的全面力学性能源于多种因素的协同作用，包括经常被忽视的合金化元素对原位合成增强体的影响。例如，杨等人[30]、[31]报告称Y和Nb能有效抑制TiC的树枝晶生长。此外，原位形成的增强体本质上是非化学计量的，并通常会从基体中吸收溶质原子[32]。吕等人[33]还发现，Al的添加通过调节凝固动力学和Ti-C扩散促进了TiC增强体的等轴化形态。尽管有这些零星的观察结果，但对Al对基体演变和TiC增强体内在性质的基本影响的系统研究仍然明显不足。

因此，本研究系统地探讨了Al在调节钛基体微观结构和原位形成的TiC增强体方面的双重作用。通过结合多尺度微观结构表征、力学评估和第一性原理计算，我们全面阐明了Al添加诱导的协同强化机制和变形适应途径。本研究为设计具有优异强度-延展性平衡的高性能TMCs提供了理论指导。

章节摘录

材料制备

在本研究中，使用真空悬浮熔炼炉制备了不同Al含量的TMCs。2%、4%和6%的Al含量范围涵盖了从接近α纯钛（TA2，约2 wt.% Al）到最常用的α+β钛合金Ti-6Al-4V（约6 wt.% Al）的典型Al含量范围。这种梯度设计可以连续且系统地揭示Al对钛基体和原位TiC增强体的双重调控作用，避免了

TMCs的初始微观结构

通过XRD、SEM、EDS和TEM分析（图2和3），系统地表征了不同Al含量的TiC增强型TMCs的初始微观结构。XRD图谱（图2a-c的插图）证实了所有样品中α相、β相和TiC的共存，验证了成功制备了由原位合成的TiC颗粒增强的双相（α+β）钛基体。SEM观察显示，Al的添加显著改变了钛基体的微观结构

Al元素对基体的影响

在钛合金中，Al是一种典型的α稳定元素，它可以扩大α相区域，在冷却过程中促进α相的沉淀，并提高α相的热稳定性。如图7所示，增加Al含量显著改变了TiC增强型TMCs的基体微观结构。在TA2MC中，基体主要由细长的α晶片组成，而在转变的β区域仅观察到少量的细小次级α相（α_s）

结论

本研究系统地探讨了Al对TiC增强型TMCs中钛基体和原位形成的TiC增强体的多功能双重影响，并通过多尺度微观结构表征、力学测试和第一性原理计算阐明了背后的协同强化和变形适应机制。主要结论如下：

(1)

增加Al含量显著改变了TiC增强型TMCs的基体微观结构

CRediT作者贡献声明

岳旭：验证、资源管理、方法论、数据分析。童晓乐：验证、监督、资源管理、数据分析。林成：验证、资源管理、方法论、数据分析。赵永清：验证、监督、方法论、数据分析。黄世星：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 初稿、验证、监督、资源管理、项目管理、方法论、研究、资金获取、数据分析、

利益冲突声明

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致谢

作者感谢“中央地方科技发展引导资金项目（ZYYD2025QY12）”的财政支持。