硼氮协同增强TC4基复合材料强度-塑性-耐磨性的协同优化机制

本研究针对钛合金强度-塑性难以协同提升及耐磨性不足的问题，通过球磨-放电等离子烧结(SPS)技术制备TiBw /TC4(N)复合材料。研究发现BN分解产生的B原位生成TiB晶须(TiBw )，N固溶强化基体，0.15 wt%BN添加使材料获得1240 MPa/14.7%的强塑积，耐磨性显著提升，为高性能钛基复合材料设计提供新思路。

　　

钛合金作为航空航天领域的关键材料，其性能提升始终面临"强度-塑性倒置"的困境。传统TC4合金(Ti-6Al-4V)虽具有良好综合性能，但强度与塑性难以同步提高，且耐磨性不足制约其在运动部件的应用。现有研究通过引入陶瓷增强相虽可提升强度，但往往导致塑性急剧下降。如何突破材料性能的"此消彼长"，实现多性能协同优化，成为材料科学领域的重大挑战。

中国某研究机构团队在《Materials Characterization》发表的研究中，创新性地采用BN作为前驱体，通过球磨预处理结合放电等离子烧结(SPS)技术，构建了具有多尺度强化特征的TiB_w
/TC4(N)复合材料。该研究通过系统调控BN添加量(0-0.3 wt%)，揭示了B、N元素的协同作用机制：烧结过程中BN分解产生的B原子与Ti原位反应生成高长径比TiB晶须(TiB_w
)，而N原子固溶于α-Ti基体形成间隙固溶体。微观结构表征显示，0.15 wt%BN添加使晶粒尺寸从纯TC4的25.3 μm细化至8.7 μm，TiB_w
呈三维网状分布。

关键技术包括：高能球磨实现BN均匀分散；放电等离子烧结(SPS)在980℃/50 MPa下实现快速致密化；通过X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)分析相组成；电子背散射衍射(EBSD)表征晶粒取向；往复式摩擦试验评估耐磨性能。

【微观结构演变】
BN添加显著改变材料微观结构：当含量≥0.15 wt%时，TiB_w
形成连续网络结构，EBSD显示基体晶粒尺寸减小58%，且α相晶界处出现N偏聚。TEM证实TiB_w
与基体存在[010]_TiB
//[11-20]_α-Ti
的位向关系，界面洁净无反应层。

【力学性能突破】
0.15 wt%BN样品展现超常力学性能：抗拉强度1240 MPa(较纯TC4提升63%)，延伸率14.7%(提升23%)，强塑积达18.2 GPa·%。作者提出"三维载荷传递-晶界强化-固溶协同"机制：TiB_w
网络有效传递载荷；细晶强化遵循Hall-Petch关系；N固溶使α相层错能从6.8降至4.2 mJ/m²
，促进位错交滑移。

【耐磨性提升】
磨损率从纯TC4的4.7×10^-4
mm³
/Nm降至1.2×10^-4
mm³
/Nm，磨损机制由严重粘着磨损转变为轻微磨粒磨损。表面形貌显示TiB_w
网络阻碍磨屑剥落，N固溶提高基体应变硬化能力。

该研究实现了钛基复合材料强度-塑性-耐磨性的协同突破，其创新点在于：首次利用BN分解实现B/N双元素协同强化；建立"成分-结构-性能"定量关系；开发出可规模化生产的粉末冶金工艺。研究结果为航空发动机叶片、人工关节等需兼具高强韧和耐磨的部件提供了新材料解决方案，对推动结构材料多性能协同设计理论发展具有重要启示。