突破强度-塑性平衡：变形球磨技术制备(TiBw+La2O3)/TC4复合材料及其晶内分布机制研究

本文推荐一种创新性变形球磨（DBM）技术，通过调控(TiBw晶须+La2O3)在TC4基体中的晶内分布，成功解决传统钛基复合材料（DRTiMCs）中增强体团聚问题。该复合材料在室温下展现1566 MPa超高抗拉强度（UTS）和5.5%延伸率，高温性能同样优异。研究揭示了晶粒细化、TiBw载荷传递效应与软硬相交互作用的协同机制，为航空航天领域高性能材料设计提供新思路。

　　

Highlight

本研究通过变形球磨（DBM）工艺创新性设计出具有晶内分布的(TiB_w+La₂O₃)/TC4复合材料。0.19 vol.%复合材料展现出1566 MPa的超高抗拉强度和5.5%延伸率，400°C/500°C/600°C高温下UTS分别达912 MPa、868 MPa和679 MPa。这种强度-塑性的协同提升源于三大机制：晶粒细化效应、TiB_w晶须的载荷传递（Load transfer）作用，以及硬质晶须与软质基体间的交互作用。

Materials and methods

采用商业TC4钛合金（AP&C公司）和200-400 nm纳米LaB₆粉末（纯度99.5%）为原料，使用自主研发的沟槽式球磨机（BGBM）进行低能-高能两步球磨。通过超声分散、DBM、烧结和热轧（HR）工艺制备复合材料，重点优化了增强体分布均匀性。

Microstructure and interface analysis

图1展示0.19 vol.%和0.37 vol.%复合材料的制备流程及粉末形貌。扫描电镜显示DBM工艺有效消除团聚，形成梯度结构。高分辨透射电镜（HR-TEM）证实TiB_w与La₂O₃在晶内/界面的均匀分布，界面结合良好无缺陷。

Discussion

纯TC4、0.19 vol.%和0.37 vol.%复合材料的平均晶粒尺寸分别为3.51 μm、2.61 μm和2.85 μm（图8a），表明LaB₆添加产生轻微细化效应。Kernel平均取向差（KAM）分析揭示复合材料位错密度显著提升，这是强度增强的关键因素。

Conclusion

1. 1.

   DBM工艺成功构建TiB_w/La₂O₃梯度分布结构；

2. 2.

   复合材料强度-塑性协同提升，高温性能优异；

3. 3.

   该策略为设计超高强度DRTiMCs提供新范式。