基于Al4C3碳源制备晶内双尺度TiC增强钛基复合材料的高强韧化机制研究

针对传统碳源制备钛基复合材料(TMCs)时TiC颗粒易在粉末边界粗化聚集的问题，研究人员创新性采用Al4C3作为碳源，通过粉末冶金技术成功实现微米/纳米双尺度TiC颗粒在基体晶内的均匀分布。该TiC/Ti(Al4C3)复合材料热挤压后强度与延展性较传统TiC/Ti(C)分别提升52%和41%，为高性能TMCs设计提供了新思路。

　　

钛基复合材料(Titanium Matrix Composites, TMCs)因其优异的比强度和耐高温性能，在航空航天、生物医疗等领域具有重要应用前景。然而，传统采用碳黑等碳源制备的TMCs存在明显瓶颈——原位生成的碳化钛(TiC)颗粒往往富集于原始粉末边界，形成粗大团聚体。这种不均匀分布不仅导致应力集中，更严重制约了材料强度与塑性的协同提升。如何实现增强相在基体晶内的纳米级分散，成为突破TMCs性能天花板的关键科学问题。

针对这一挑战，中国研究人员在《Scripta Materialia》发表创新成果。该研究摒弃传统碳源，首次选用Al₄C₃作为反应前驱体，通过粉末冶金结合热挤压工艺，成功制备出具有晶内双尺度TiC分布的TMCs。微观结构表征显示，Al₄C₃的引入促使TiC以微米级（数微米）和纳米级（数十纳米）双峰尺寸在α-Ti晶粒内部原位生成，这种独特的"大颗粒-小颗粒"协同分布模式，既通过纳米颗粒阻碍位错运动提升强度，又借助微米颗粒延缓裂纹扩展保持塑性。力学测试数据令人振奋：相较于传统碳黑制备的TiC/Ti(C)复合材料，新型TiC/Ti(Al₄C₃)的屈服强度与延伸率分别提升52%和41%；即便对比外掺TiC的TiC/Ti(ex-situ)体系，性能优势仍达57%和12%。

研究采用三大关键技术：1）通过Al₄C₃-Ti体系的反应动力学调控实现TiC原位合成；2）优化球磨参数确保Al₄C₃在钛粉中的均匀分散；3）采用热挤压工艺消除材料内部孔隙。研究队列包含三组对比样本：实验组TiC/Ti(Al₄C₃)、对照组TiC/Ti(C)和TiC/Ti(ex-situ)。

【微观结构特征】透射电镜分析揭示，Al₄C₃分解产生的碳原子优先沿钛晶格间隙扩散，在晶内缺陷处形核生长，形成与基体共格的纳米TiC。这种内禀的晶内分布特性彻底解决了增强相界面偏聚难题。

【强化机制解析】通过EBSD和原位拉伸测试证实，纳米TiC通过Orowan强化机制提升强度，而微米TiC通过诱发非均匀塑性变形延缓颈缩。二者协同作用使材料断裂韧性显著提高。

该研究颠覆了传统TMCs增强相分布的设计范式，提出的"晶内双尺度构筑"策略为金属基复合材料强韧化提供了普适性思路。Jinglun Yang等学者特别指出，Al₄C₃分解伴随的Al元素固溶还改善了钛基体塑性，这种"一举两得"的合金化效应值得后续深入研究。工作获得国家自然科学基金(52274367)和陕西省重点研发计划(2025GH-YBXM-041)支持，其工程化应用将推动高性能航天结构件的发展。