通过增材制造与粉末冶金相结合的方法制备的仿生砖-砂浆异质结构钛基复合材料的强度-韧性协同效应

《Additive Manufacturing》：Strength-Ductility Synergy of Bioinspired Brick-Mortar Heterostructured Titanium Matrix Composites by Additive Manufacturing Coupled with Powder Metallurgy

本研究通过激光粉末床熔融（L-PBF）结合粉末冶金工艺，设计出一种生物启发的砖-灰泥异质结构钛基复合材料。该结构中粗晶Ti65灰泥提供固溶强化，细晶Ti-TiCp砖体增强韧性，实现强度（731 MPa）与延展性（20%）的协同优化，并在650℃高温下强度提升143%。该成果为增材制造在异结构设计中的应用提供了新思路。

　　

刘慧英|李书峰|刘玉静|赵子博|郭旭东|惠东旭|王少迪|李欣|吴泽峰|张淑燕|曹一哲|李波|张欣|朱云天

西安工业大学材料科学与工程学院，中国陕西省西安市710048

摘要

在钛基复合材料（TMCs）中实现良好的强度-延展性协同效应仍然具有挑战性。在这项工作中，通过将激光粉末床熔融（L-PBF）与粉末冶金技术相结合，开发出一种基于增材制造的仿生砖-砂浆异质结构。所得复合材料呈现出一种非传统的异质结构：粗粒化的Ti65砂浆形成了以固溶强化为主的硬区域，而细粒化的Ti-TiCp砖区域则表现为受晶粒细化调控的软区域。这种强化机制的空间分离促进了明显的异质变形诱导硬化和拉伸变形过程中的持续加工硬化。因此，这种砖-砂浆复合材料的室温屈服强度达到了731 MPa，伸长率为20%；其在650℃下的拉伸强度比传统的Ti-TiCp复合材料提高了143%。这些结果凸显了增材制造作为设计具有优异机械性能的异质结构的有效平台的潜力。

引言

航空航天技术的迅速发展，特别是对燃油效率、载荷能力和极端环境耐受性的追求，对轻质、高强度的钛合金提出了严格的要求，这些钛合金需要同时具备优异的强度和韧性。然而，传统的合金化策略从根本上受到性能权衡的限制。诸如固溶强化和沉淀硬化等强化机制虽然在有效提高强度的同时，往往会导致延展性和断裂韧性显著下降[1]，[2]。为突破这一瓶颈，通过引入陶瓷颗粒制备的颗粒增强钛基复合材料应运而生。这些材料保留了钛合金的低密度优势，同时显著提高了强度、弹性模量和高温热稳定性[3]。然而，一个固有的矛盾是：陶瓷颗粒的添加虽然提高了强度，但往往为微裂纹的产生和扩展提供了途径，从而导致材料韧性（断裂韧性）不可避免地下降[4]，[5]。这些限制促使研究人员开发新型的TMCs作为规避这些基本权衡的有效解决方案。

受到天然生物材料（如竹子和珍珠）精美微观结构的启发[1]，材料科学中提出了异质结构设计的概念。其核心原理是在材料内部有意创建具有显著性能差异的微区域（例如，软/硬、延展性/脆性）。这些区域在变形过程中的协同作用和相互作用可以同时激活多种强化和增韧机制。已经对具有网络结构（陶瓷颗粒在晶界处聚集形成连续的硬壳，包裹着柔软的钛基体）[8]、[9]、层状结构（由交替的软硬层组成，模仿贝壳的珍珠层）[10]、[11]、[12]、[13]、梯度结构（从表面到核心硬度连续变化）[14]，以及三维微球阵列（3D-MPA，硬微球聚集体嵌入软基体中）[16]、[17]、[18]的异质结构DRTMCs进行了广泛研究。这些结构的一个共同特点是，变形过程中软硬区域之间的应变不匹配在界面附近产生了强烈的应变梯度。这反过来又诱导了几何必需位错（GNDs）的大量产生和积累，从而产生了所谓的异质变形诱导（HDI）强化效应。HDI硬化不仅提供了额外的强度，还显著增强了材料的加工硬化能力，延缓了颈缩过程，从而提高了均匀延展性[19]，[20]，[21]。然而，仍存在一些关键挑战，包括通过增强富集区加速裂纹扩展和明显的机械各向异性。天然珍珠中的“砖-砂浆”（B-M）结构代表了一种高度有序的异质结构[22]，[23]，[24]，[25]。J?ger等人[26]建立了一个简化的力学模型，其中硬“砖”提供强度，而软“砂浆”赋予韧性。然而，当将这种结构应用于高温钛基复合材料时，会出现一个严重问题：在高温服役条件下，作为“砂浆”的软相（通常是钛合金）的晶界或相界强度会急剧下降。这导致整个相互连接的软相网络过早软化并丧失载荷传递能力，最终导致整个结构失效。因此，设计一种在高温下保持稳定的“仿生界面”已成为当前研究的前沿和挑战。

为了解决这些挑战，提出了一种基于增材制造的策略，将激光粉末床熔融（L-PBF）与粉末冶金技术相结合，以在钛基复合材料中构建仿生砖-砂浆（B-M）异质结构。使用传统的铸造或粉末冶金技术难以实现稳定的B-M结构所需的相互连接的支架，而L-PBF提供了必要的几何可控性。在这项研究中，首先通过L-PBF制备了连续的Ti65合金支架作为承重砂浆，然后填充自合成的Ti-TiCp复合粉末，并通过火花等离子烧结进行固化。通过微观结构表征和力学测试来阐明该结构的变形和强化机制。特别关注了基于增材制造的新颖异质结构，其中粗粒化的固溶强化砂浆作为硬区域，而细粒化的TiCp钉扎砖区域作为软区域。硬软区域的区分是基于局部微观力学响应和变形阻力来定义的，而不是传统的基于晶粒尺寸的Hall-Petch解释。这些区域之间的应变不匹配激活了明显的异质变形诱导硬化，从而在广泛的温度范围内同时提高了强度和延展性。

材料与方法

图1展示了B-M异质结构Ti65+(Ti-TiCp)复合材料的制备过程和微观结构分析示意图。制备过程包括两个主要阶段。首先，使用L-PBF技术（L-PBF设备：BLT-S210，BLT Co.,Ltd，中国）和Ti65粉末（宝鸡西工钛合金制品有限公司，元素含量见表1）作为原料制备了“砂浆”支架（图2）。随后，开发了自制的Ti-TiCp

B-M结构的微观结构

图2显示了具有B-M结构的Ti65+(Ti-TiCp)复合材料的SEM图像。Ti65“砂浆”表现出粗大的Widmanst?tten结构，而TiCp均匀分布在填充的Ti-TiCp“砖”区域内。复合材料的逆极图（IPF）如图3所示。粗粒化（CG）区域对应于Ti65“砂浆”（宽度约0.4毫米），平均晶粒尺寸约为100.78微米。细粒化（FG）区域构成了Ti-TiCp“砖”，其中

异质变形诱导硬化

通过载荷-卸载-重新加载（LUR）测试观察到的滞后行为被用来定量评估B-M异质复合材料中的HDI强化效应[31]。如图6(b)放大视图所示，B-M异质结构的更宽滞后环表明其HDI强化和加工硬化响应比Ti-TiCp复合材料（图6(a)）更为显著。HDI应力使用以下公式计算：${\sigma }_{\mathrm{HDI}}=\frac{{\sigma }_r+{\sigma }_{}2}{}$其中 ${\sigma }_{\mathrm{HDI}}$

结论

本研究采用了一种新颖的“结构-性能”解耦设计策略，制备了具有仿生“砖-砂浆”异质结构的Ti65+(Ti-TiCp)复合材料。在这种设计中，Ti65合金形成了连续的“砂浆”，而Ti-TiCp复合材料构成了“砖”，有效地将TiCp限制在砖区域内。这种方法成功地将晶粒细化和固溶强化机制解耦并空间分离，创建了一个独特的“CG（硬区域）-FG

未引用的参考文献

[6]; [7]; [42]

CRediT作者贡献声明

郭旭东：项目管理。惠东旭：验证。朱云天：撰写 – 审稿与编辑，资源管理。刘玉静：撰写 – 审稿与编辑，方法论。赵子博：数据管理，概念化。张欣：资源管理，方法论。刘慧英：撰写 – 初稿，方法论。李波：软件。李书峰：撰写 – 审稿与编辑，资源管理。曹一哲：验证。吴泽峰：软件。张淑燕：资源管理。王少迪：项目管理。李欣：可视化。

披露声明

作者未报告任何潜在的利益冲突。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（52201165,52471162）、国家重点研发计划（2021YFB3701203）的财政支持；该项目还得到了航空科学基金会（2023Z0530T6003）、西安科技计划项目（24GXPT0001）、陕西省创新研究团队（2023-CX-TD-46）、陕西省教育厅资助的科学研究计划（24JS035）以及国家