陶瓷成分的加入推动了Ti2AlN/TC4互穿相复合材料表面钝化膜的形成与发展，并影响了其在海洋环境中的耐腐蚀性能

《Surface and Coatings Technology》：Ceramic content drives the evolution of surface passive film in Ti 2AlN/TC4 interpenetrating phase composites and influences their corrosion resistance in marine environment

互穿相复合材料腐蚀性能与表面陶瓷含量关系研究，采用SLM 3D打印结合热压烧结制备Ti2AlN/TC4 IPCs，分析表面陶瓷含量（15%-50%）对海洋腐蚀的协同效应与电偶腐蚀竞争机制，发现35%陶瓷含量时过渡层Al2O3/TiO2复合被动膜最佳，实现腐蚀电阻峰值。

　　
钛合金基MAX相/金属互穿复合材料的腐蚀行为调控研究

背景与意义：
海洋环境对材料性能提出了严苛要求，传统金属基复合材料（MMCs）因陶瓷增强相的离散分布和界面缺陷，难以有效抑制氯离子侵蚀引发的局部腐蚀。MAX相作为新型陶瓷材料，兼具高硬度、优异化学稳定性和与金属基体的良好相容性，为开发抗海洋腐蚀的先进复合材料提供了新思路。本研究突破传统金属基复合材料的制备范式，采用增材制造与固态烧结协同工艺制备Ti?AlN/TC4互穿相复合材料（IPCs），系统考察表面陶瓷含量对腐蚀性能的影响规律，揭示了多尺度协同防护机制，为极端环境用钛基复合材料设计提供了理论依据。

制备工艺创新：
研究团队创新性地构建了"3D打印金属骨架-陶瓷粉末填充-高温致密化"三位一体的制备体系。首先利用选择性激光熔融（SLM）技术制备TC4合金BCC立方结构骨架，其25%孔隙率设计在保证轻量化的同时为后续陶瓷填充预留空间。通过优化打印参数（功率1200W，扫描速度800mm/s）获得高精度致密化金属基体。随后采用真空辅助浸渍工艺，将Ti?AlN粉末均匀填充至金属骨架孔隙中，形成梯度分布的陶瓷增强相。最终通过两阶段热压烧结（1350℃/30min + 1550℃/60min）实现金属与陶瓷的原子级互连，形成具有三维互穿结构的复合体。

表面陶瓷含量对腐蚀性能的影响规律：
实验数据显示，腐蚀电流密度随表面陶瓷含量呈现非线性变化特征。当陶瓷含量从15%提升至35%时，腐蚀速率下降达62%，其中35%组达到最佳防护效果。超过临界值后，腐蚀速率随陶瓷含量增加而回升，至50%时恢复至基准水平。这种"先升后降"的曲线揭示了表面陶瓷层防护机制与电偶腐蚀效应的竞争关系：低含量时（15-35%），陶瓷相通过形成致密Al?O?-TiO?梯度过渡层有效阻断Cl?渗透。其中TiO?纳米颗粒形成的纳米晶过渡层（厚度约20-30μm）显著提升阳极钝化膜致密性，而Al?O?富集的阴极过渡层（深度50-80μm）则有效缓解局部腐蚀。当陶瓷含量超过35%时，过量的MAX相（Ti?AlN含量达40%以上）导致金属-陶瓷界面电势差增大，引发显著的电偶腐蚀效应。电化学阻抗谱（EIS）显示此时Nyquist圆半径缩减42%，相角滞后增大至-118°，表明腐蚀电阻下降。

腐蚀防护机制解析：
微观结构表征揭示出独特的梯度防护体系：表面10-15μm范围内形成以TiO?（占比68%）和Al?O?（占比22%）为主的双层过渡膜，其中TiO?以纳米级团聚态存在（粒径50-200nm），Al?O?则呈连续纤维状结构。这种复合型过渡层在氯离子环境中展现出协同防护效应：TiO?通过捕获Cl?离子并形成Ti(OH)?保护层（X≈1.5-2.3），显著降低阳极区电流密度；Al?O?的致密性（致密化度达92%）有效抑制Cl?沿晶界渗透。扫描电镜（SEM）观测显示，35%陶瓷含量组在盐雾暴露30天后仍保持完整的纳米级TiO?保护层，而高陶瓷组（50%）出现明显的TiO?剥落现象，其表面Ti(OH)?层厚度仅0.8μm，较优组减少76%。

多尺度协同效应分析：
（1）微观结构层面：通过同步辐射X射线衍射（SR-XRD）发现，梯度分布的MAX相（Ti?AlN含量15-50%）与金属基体形成连续的三维互穿网络。当陶瓷含量为35%时，界面结合强度达48MPa（优于传统纤维增强体30MPa），其断裂韧性KIC提升至28MPa√m，较基体提高2.3倍。

（2）介观结构层面：电镜-背散射衍射（EBSD）显示，在过渡层-基体界面区域（深度50-80μm）存在明显的晶粒重构现象。Ti-6Al-4V基体中的α-HCP相通过晶界工程转化为β-BCC相占比达78%，这种相变重构使晶界腐蚀敏感性降低63%，同时提升了裂纹扩展阻力。

（3）宏观性能层面：极化曲线测试表明，最佳陶瓷含量组（35%）的腐蚀电流密度为7.2×10?? A/cm2，较传统钛合金（1.2×10?? A/cm2）降低40%，且自钝化膜阻抗模值Z_∞达3.8×10? Ω·cm2，表现出优异的长期稳定性。这种性能优化源于三重协同机制：纳米级TiO?的快速成膜能力（成膜时间<5s）、Al?O?的致密化效应（孔隙率<5%）以及梯度结构对裂纹的二次阻断作用。

制备工艺关键参数：
研究通过正交试验法优化了SLM打印参数（层厚20μm、扫描速度800mm/s）和热压烧结条件（压力60MPa、温度1550℃），发现：打印速度每提高10%，金属骨架孔隙率降低1.2个百分点；烧结温度超过1550℃时，Ti?AlN与TC4界面出现明显的元素互扩散（扩散深度达15μm），导致MAX相晶格畸变率增加0.8%，腐蚀速率提升23%。通过调控工艺参数，成功将复合材料的体积密度稳定在3.85g/cm3（接近理论值3.9g/cm3），孔隙率控制在8%以内。

应用潜力与拓展方向：
该成果在多个领域展现应用前景：在海洋工程中，可使螺旋桨、系泊链等关键部件的服役寿命从15年延长至25年以上；在滨海航天器部件（如热防护系统）中，其耐盐雾腐蚀性能较纯钛提高3个数量级。未来研究可着重三个方向：① 开发Ti?AlN梯度纳米结构（厚度<5nm）以实现超钝化效果；② 探索Al?O?/TiO?复合涂层与互穿结构的协同效应；③ 建立基于机器学习的腐蚀预测模型，实现多参数耦合优化。这些进展将推动MAX相钛基复合材料在极端环境工程中的实际应用，为我国海洋装备和航天器表面防护材料研发提供关键技术支撑。

实验验证体系：
研究构建了多维度验证体系：① 电化学测试（3.5% NaCl溶液，25℃）结合原位EIS监测腐蚀动态过程；② 扫描-透射联用技术（STEM-EELS）揭示界面元素分布与腐蚀路径；③ 纳米力学表征（AFM）量化过渡层硬度梯度（从表面1.2GPa到界面0.85GPa）；④ 侵彻测试显示，35%陶瓷含量组在2000h盐雾试验后仍保持完整结构，裂纹扩展阻力达1.8×103 MPa。这些多尺度表征手段共同揭示了腐蚀防护的微观机理与宏观表现之间的构效关系。

界面工程优化策略：
针对高陶瓷含量组的电偶腐蚀问题，提出了"梯度掺杂+界面改性"优化方案：在Ti?AlN相中引入5-8wt% Si元素形成Ti?AlSiN MAX相，其晶格常数（a=2.94nm）与TiO?（a=3.62nm）形成晶格失配度达12.7%，促进致密Al?O?膜的持续生长；同时采用脉冲激光退火技术（波长1064nm，脉宽20ns）对界面区域进行微结构调控，使界面过渡区厚度从80μm缩减至45μm，腐蚀速率进一步降低至4.8×10?? A/cm2。该方案在实验室中已实现工程化应用。

该研究突破了传统金属基复合材料的制备理念，首次系统揭示了MAX相含量与腐蚀防护性能的构效关系，建立了"结构设计-性能预测-工艺优化"的全链条研发体系。相关成果已申请国家发明专利3项（公开号CN2025XXXXXX.XX），为高端装备制造领域提供了可复制的解决方案。