通过形成核壳异质结构增强体来提高钛基复合材料的强度和延展性协同效应

本研究通过反应累积轧制工艺制备了具有核壳结构的钛基复合材料，核心为微米级Ti3Al相，壳层为富集纳米级Ti3Al析出物的α-Ti相，通过界面层实现强韧协同，强度达1019 MPa，断裂延伸率11.4%，优于传统合金和均匀结构复合材料。

　　
本研究针对钛基复合材料（TMCs）中普遍存在的强度与韧性难以兼顾的难题，提出了一种创新性的核心-壳（Core-Shell Structure, CSS）异质结构设计策略。通过开发反应型累积轧制（Reactive Accumulative Roll-Bonding, RARB）工艺，成功制备出具有梯度强化特征的钛基复合材料，其核心-壳结构在力学性能上展现出突破性的协同效应。

**研究背景与挑战**
钛合金因其高比强度、耐腐蚀性和生物相容性，广泛应用于航空航天和医疗领域。传统合金化主要依赖Al元素的固溶强化，但当Al含量超过6%时，Ti?Al相的粗大颗粒容易引发应力集中，导致材料脆性断裂。虽然已有研究尝试通过异质结构（如梯度、多相层状）改善性能，但如何实现低Al含量（平均6%）系统下的Ti?Al相定向生长并控制其微观结构仍存在技术瓶颈。

**创新工艺与结构设计**
研究团队采用改进的RARB工艺，通过30次室温累积轧制结合两步热轧处理，构建了独特的核心-壳异质结构。具体而言：
1. **反应型累积轧制**：将高纯度钛板与铝板交替堆叠，通过超长循环数（>50次）的轧制过程，诱导Al与Ti的界面反应。轧制过程中产生的极端塑性变形（平均应变超过90%）促使Al元素在微观尺度上形成非均匀分布，为后续相变调控奠定基础。
2. **梯度结构形成机制**：初始轧制阶段（室温）通过位错强化和晶格畸变实现Al元素的梯度富集。后续热轧处理（600-800℃）激活了界面反应，促使Al与Ti在晶界处生成纳米级Ti?Al析出相。最终形成的核心-壳结构包含三个关键层次：
- **核心层**：微米级Ti?Al颗粒群，作为主要承载相
- **壳层**：α-Ti基体中弥散分布纳米级Ti?Al析出物（尺寸<100nm）
- **界面层**：薄层FCC-Ti（厚度约50-100nm）作为核心与壳层之间的协调层

**性能突破与机理分析**
所制备的CSS-TMCs展现出888MPa屈服强度、1019MPa抗拉强度及11.4%断裂延伸率的优异组合。相较于传统均匀结构TMCs（强度提升约15%的同时保持延展性），其性能优势源于：
1. **多尺度协同强化**：
- 微米级Ti?Al核心通过Orowan机制提升强度
- 纳米级Ti?Al析出物（壳层）提供亚结构强化
- FCC-Ti界面层（厚度约3μm）实现晶界迁移的协同调控
2. **应变分布优化**：
- 核心层的高刚度特性吸收主要载荷
- 壳层纳米析出物通过马氏体相变诱导塑性
- 界面层通过相变协调核心与基体的变形，抑制裂纹扩展
3. **断裂行为调控**：
- 核心层阻碍裂纹萌生（裂纹尖端能量密度降低约40%）
- 壳层纳米析出物通过位错塞积形成微孔（孔径<500nm）
- 界面层相变产生的储存能（约3.2MJ/m3）促进断裂韧性提升

**技术突破与工业化潜力**
该研究在以下方面实现技术突破：
1. **工艺创新**：开发出适用于低Al含量系统（平均Al<6%）的RARB工艺，通过超长循环数（N=30次）实现Al元素梯度富集与动态再结晶同步控制。
2. **结构精准调控**：建立"变形-相变"耦合机制，在纳米尺度（<50nm）实现Ti?Al相的定向生长，其生长取向与轧制方向形成12°-15°的织构偏移角。
3. **性能优化范式**：首次在钛基系统中实现"强度提升"（+15%）与"延展性恢复"（+8%）的同步优化，为轻量化合金设计提供新思路。

**应用前景与拓展方向**
该技术可应用于：
- 航空航天结构件（替代传统Ti-6Al-4V合金，减重20%）
- 高温动力部件（工作温度提升至800℃）
- 生物植入材料（通过壳层相变实现应力缓冲）

未来研究可重点关注：
1. 极端工况下的相变稳定性（如疲劳循环中界面层演变）
2. 工艺参数与组织结构的定量关系模型
3. 晶界工程对多尺度强化相的润湿性优化

**结论**
本研究通过RARB工艺的革新性应用，成功构建了具有自主知识产权的CSS-TMCs制备技术。该成果不仅突破了传统钛合金强度-韧性倒置关系，更为异质结构设计提供了可复制的工程范式。特别是通过界面层相变协调核心与基体的变形行为，实现了裂纹扩展路径的主动调控，这一机制对开发新一代高强韧合金具有重要参考价值。