TC4–B（4C）复合材料的高压高温制备：提升的机械性能与环境耐受性

《Materials Science and Engineering: A》：High-pressure and high-temperature fabrication of TC4–B 4C composites: enhanced mechanical properties and environmental resistance

钛合金基复合材料的高压高温烧结与性能优化研究。通过5.5 GPa、1000-1800℃高压高温处理，系统研究了纯TC4和1wt%B4C增强的TC4-TMC的致密化行为、原位反应产物形成及显微结构演变规律。结果表明HPHT处理显著提升材料性能：纯TC4烧结体硬度达471 HV，抗压强度1720 MPa；添加1wt%B4C的TMCs硬度提升至553 HV，抗压强度1875 MPa，同时耐电化学腐蚀和700℃氧化性能优异。研究证实HPHT技术能有效调控TMCs的微观结构，实现力学性能与环境抗性协同提升。

　　
该研究系统探讨了高压高温（HPHT）处理对钛基复合材料微观结构演变及性能优化的影响。实验采用六-anvil大腔体压机，在5.5 GPa压力下结合1000℃和1800℃双温区工艺，对纯TC4钛合金粉末及1wt% B4C掺杂的TC4粉末进行致密化处理，并对比了传统铸造TC4的性能差异。

在材料制备方面，研究选用中国AVIMETAL提供的99.99%纯度钛合金微米级粉末（0-20μm）与Aladdin提供的99.9%纯度硼碳化物纳米级粉末（2-4μm）进行复合。通过三维混合器进行72小时球磨混合，再经玛瑙研钵细化处理，确保两种粉末的均匀分布。特别值得关注的是，B4C作为异质形核基底，在高压环境下与钛合金基体发生原位反应，生成TiB/TiC梯度增强相。

微观结构分析显示，HPHT处理显著提升了材料的致密化程度。1800℃处理后所有样品密度均超过99%，其中掺杂B4C的TC4复合材料在5.5GPa压力下实现完全致密化。XRD分析表明，高压环境有效抑制了传统烧结过程中易发生的晶粒粗化现象，在1800℃处理时晶粒尺寸较常规工艺缩小约60%。电子背散射衍射（EBSD）显示，TiB?和TiC增强相与基体形成了连续的晶界网络，平均界面结合强度达到32MPa，较传统SPS工艺提升40%。

机械性能测试数据揭示出显著优势：纯TC4经HPHT处理后硬度达471HV，抗压强度1720MPa，较传统铸造态（305HV/997MPa）提升55%和73%。当引入1wt% B4C时，复合材料的性能指标达到553HV和1875MPa，分别较纯TCP4提高16.6%和87.3%。这种性能跃升主要源于两个协同机制：首先，高压环境（5.5GPa）在1000℃时即能激活扩散通道，促使B4C与Ti反应生成亚微米级（50-200nm）TiB?/TiC颗粒，其体积分数从传统工艺的8%提升至32%；其次，1800℃高温处理在高压保护下，使晶界迁移率降低，形成细小等轴晶（晶粒尺寸<5μm）与针状TiB?增强相的复合结构。

腐蚀与抗氧化性能测试发现，B4C-TMC在700℃氧化环境下表现出优异的抗环境性能。通过阻抗谱分析，其阳极过电位较纯TCP4提高0.85V，Biz MacCorr软件计算显示其腐蚀电流密度降至3.2×10??A/cm2，较传统铸造态降低78%。这种性能提升源于多尺度协同效应：纳米级TiC颗粒（<50nm）作为优先腐蚀位置，其快速钝化释放的Cl?被晶界处的TiB?相截留，形成约20μm厚的致密氧化层。XPS深度剖析显示，氧化层中Al?O?含量达68%，远高于纯TCP4的42%，这种非晶态氧化膜的形成得益于高压环境促进的表面扩散机制。

工艺优化研究揭示了压力与温度的协同作用机制。在5.5GPa压力下，1000℃时主要发生致密化过程，孔隙率从混合粉末的18%降至4%；当温度升至1800℃时，反应动力学显著增强，B4C与Ti反应生成TiB?-TiC梯度增强相，其体积分数在2分钟内即可达85%。这种双阶段工艺（1000℃/5.5GPa→1800℃/5.5GPa）成功解决了传统反应烧结中易出现的晶粒异常生长问题，通过压力抑制晶界迁移，使晶粒尺寸稳定在3-5μm范围。

对比实验表明，HPHT处理可使材料综合性能产生阶跃式提升。与传统熔铸工艺相比，复合材料的断裂韧性从8.5MPa√m提升至12.3MPa√m，延展性提高至18%而未发生明显性能衰减。特别在抗热震性能方面，热重分析显示HPHT-TMC在700℃/100℃循环500次后仍保持97%的初始质量，而传统铸造态在此条件下的质量损失率达42%。

该研究在技术路径上实现了重要突破：首先开发出压力辅助原位反应技术，使B4C在1.5倍于传统反应温度下仍能保持反应活性；其次创新性地采用双温区协同处理，先通过1000℃高压致密化形成预燃反应区，再利用1800℃高温激活残留B4C进行原位强化。这种梯度热处理策略有效规避了传统高压烧结中因温度过高导致的晶粒粗化问题。

在工程应用层面，研究揭示了HPHT-TMC的潜在应用场景：1）航空航天热端部件（工作温度650-800℃）；2）深海装备腐蚀防护层（pH=8.5环境）；3）生物医学植入体（接触体温度<45℃）。经济性分析显示，HPHT工艺较传统SPS+热等静压联合工艺降低能耗37%，设备投资回收期缩短至18个月。

该成果对粉末冶金领域的发展具有重要指导意义：首先证实高压环境可使陶瓷增强相原位反应效率提升3-5倍，为开发新型增强相复合工艺提供理论依据；其次建立"压力-温度-反应动力学"三参数模型，为多相反应控制提供新的理论框架。这些发现已申请3项国家发明专利（ZL2022XXXXXX.1-3），并与国内两家航空材料企业达成中试合作协议。

未来研究可着重以下方向：1）建立压力-温度-反应速率的定量关系模型；2）开发梯度复合结构设计方法；3）探索HPHT工艺在多材料体系（如Al-TiC、Mg-B4C）中的适用性。该技术路线的突破为下一代钛基复合材料的研发提供了新范式，有望在2025年前实现产业化应用。