通过冷喷涂-摩擦搅拌加工（CSP-FSS）复合增材制造技术制备的HEA/Ti复合材料的微观结构演变及其疲劳性能

《Materials Science and Engineering: A》：Microstructure evolution and fatigue behavior of HEA/Ti composite processed by cold spray-friction stir processing composite additive manufacturing

高熵合金颗粒增强钛基复合材料采用冷喷涂-摩擦搅拌复合增材制造技术制备，研究搅拌转速对微观结构和疲劳性能的影响。结果表明：600 rpm时形成均匀细晶（平均1.9 μm）和致密界面，拉伸强度970 MPa，延伸率7.63%，疲劳强度442 MPa；1000 rpm导致片层状α相（平均0.75 μm）和颗粒破碎，强度增至1111 MPa但疲劳强度降至414 MPa。揭示了固态制造过程中动态再结晶与界面结构调控对材料性能的协同作用机制。

　　

桥可|严宝红|郭旭|陈善勇|韩鹏|王兆|陈向阳|郝亚欣|王立强|王文|王奎社

西安建筑科技大学冶金工程学院，国家与地方功能材料加工联合工程研究中心，中国西安，710055

摘要

传统的使用高能束添加制造技术制备颗粒增强钛基复合材料（TMCs）时常会产生固化缺陷，这会显著降低TMCs的疲劳可靠性。为了解决这一问题，本研究采用了一种固态冷喷涂-摩擦搅拌加工复合添加制造技术来制备高熵合金（HEA）颗粒增强的TMCs。系统地研究了这些复合材料的微观结构演变和疲劳行为。结果表明，在600转/分钟的旋转速度下，材料形成了平均粒径为1.9微米的等轴细晶粒。相对较多的HEA颗粒得以保留，并与基体形成了牢固的冶金界面。这使得材料具有优异的机械性能，包括970兆帕的拉伸强度、7.63%的伸长率和442兆帕的疲劳强度。相比之下，在1000转/分钟的速度下，增加的热机械输入导致HEA颗粒碎裂和溶解，而基体转变为平均宽度为0.75微米的层状结构。拉伸强度提高到1111兆帕，但由于颗粒固定效应减弱以及层状结构促进了直裂纹的扩展，疲劳强度下降到414兆帕。从固态添加制造的角度来看，本研究提供了一种有效的微观结构设计策略，以协同调节TMCs的静态强度和疲劳性能。

引言

颗粒增强钛基复合材料（TMCs）在航空航天、生物医学和高端化学工业中具有显著的应用潜力，因为它们具有较高的比强度、优异的耐腐蚀性和良好的生物相容性[[1], [2], [3]]。然而，传统的制造工艺如铸造、粉末冶金和热压烧结往往面临周期长、成本高以及难以形成复杂结构的挑战[4,5]。

添加制造技术的快速发展为颗粒增强TMCs的短流程、低成本和复杂结构形成提供了新的技术途径[5]。目前，研究人员已经成功利用各种高能束添加制造技术制备了这些材料，包括选择性激光熔化（SLM）[6,7]、定向能量沉积（DED）[8]、激光粉末床熔融（LPBF）[9]和线弧添加制造[10]。研究主要集中在通过调整工艺参数和增强颗粒含量来优化材料的微观结构和机械性能。例如，李等人[7]通过优化SLM工艺参数制备了高密度的B₄C/TC4复合材料。B₄C增强颗粒的添加显著提高了材料的抗压强度，但导致延展率大幅下降。董等人[11]发现，随着TiB含量的增加，剪切滞后强化、晶粒细化强化和弥散强化的综合效应提高了TiB/Ti复合材料的抗压强度，尽管伸长率相应降低。为了缓解添加制造复合材料中常见的强度与延展率之间的权衡，肖等人[12]通过调节工艺和环境参数制备了具有异质结构的TMCs，成功实现了强度和延展率的协同增强。这些研究表明，高能束添加制造技术可以生产出具有优异静态机械性能的颗粒增强TMCs。

然而，添加制造颗粒增强TMCs的实际应用和长期安全性在很大程度上取决于它们的疲劳可靠性。目前，关于这种材料疲劳性能的研究仍然相对有限[13]。研究表明，高能束添加制造钛合金通常存在疲劳性能较差的问题。主要原因在于快速熔化和凝固过程容易引入孔隙、裂纹和微观结构不均匀性等内在缺陷[14]。这些缺陷在后续使用中成为应力集中点，显著降低了疲劳寿命[15,16]。例如，关于通过LPBF技术制备的TiC/Ti6Al4V复合材料，李等人[9]系统研究了由缺陷引起的疲劳裂纹起始机制。他们发现，内部孔隙和由TiC增强相聚集形成的非均匀硬化区是引发裂纹起始和显著降低疲劳寿命的主要原因。类似地，关于LPBF形成的Ti-6Al-4V合金的研究也指出，疲劳裂纹大多起源于随机分布的凝固缺陷，如未熔合孔隙和微裂纹。饶等人[17]进一步指出，添加制造Ti-6Al-4V内部存在的大量空洞缺陷显著降低了其在拉-拉疲劳载荷下的寿命，这一结论也得到了爱德华兹等人[18]的验证。

为了解决传统高能束添加制造技术的问题，我们在之前的工作中提出了一种新的技术——冷喷涂-摩擦搅拌加工复合添加制造（CFAM）[19]。该技术结合了冷喷涂（CS）和摩擦搅拌加工（FSP）的优点，为制备颗粒增强TMCs提供了一种新的固态添加制造方法。CFAM工艺主要包括三个步骤：首先，使用CS技术逐层沉积材料。具体来说，颗粒被高压气流加速并以高速度撞击基底表面，导致强烈的塑性变形并形成沉积层。其次，在沉积层上进行多道FSP处理。高速旋转的搅拌工具插入沉积层并沿预定路径移动。在机械和热机械耦合的共同作用下，材料发生严重的塑性变形、碎裂和混合。同时，摩擦和塑性变形产生的热量诱导动态再结晶，形成等轴细晶粒结构。CS和FSP操作在FSP改性层上重复进行，直到整个部件制备完成。由于整个过程在材料的熔点以下完成，CFAM可以有效避免由高温熔化引起的固化缺陷（如孔隙、裂纹和微观结构不均匀性），从而制备出晶粒细小、成分均匀、密度高的TMCs。

近年来，CFAM已成功应用于制备不同的颗粒增强金属基复合材料。韩等人[20]研究了通过CFAM制备的CoCrFeNi增强6061铝基复合材料。结果表明，通过连续动态再结晶（CDRX）细化了基体晶粒，并在颗粒和基体之间形成了牢固的冶金结合界面，使材料表现出优异的强度和塑性。谢等人[21]制备的TiB₂颗粒增强AlSi10Mg复合材料也获得了类似的结果。研究表明，增强颗粒均匀分散且界面结合良好，动态再结晶显著细化了基体晶粒，使得材料的静态机械性能优于传统铸造和SLM处理的材料。此外，作者还将CFAM的应用扩展到颗粒增强TMCs的制备，成功制备了HEA颗粒增强TMCs[22]。结果表明，通过CDRX基体晶粒细化到2.6微米，并实现了HEA颗粒的均匀分散。此外，在颗粒和基体之间形成了具有不同机械性能的梯度界面结构。这种结构可以缓解局部应力集中，促进应变协调传递，最终实现优异的强度和塑性。上述研究表明，CFAM可以通过微观结构控制显著提高TMCs的静态机械性能，但关于基体和界面微观结构如何影响循环载荷下的裂纹起始和扩展机制仍缺乏系统的阐述。

因此，本研究通过精确控制CFAM的关键工艺参数（特别是搅拌工具的旋转速度），成功制备了具有不同基体微观结构（等轴/层状α相）和界面结构的HEA增强TMCs。在此基础上，系统揭示了微观结构的形成机制，并阐明了微观结构对材料拉伸性能、疲劳裂纹扩展行为和疲劳强度的影响。

材料与方法

选择了宝钛集团生产的不规则形状TA1钛粉作为基体，纯度大于99.9%，平均粒径为24.5微米。作为增强颗粒使用了平均粒径为34.6微米的球形Al_0.6CoCrFeNi HEA颗粒。CFAM工艺如图1所示。首先，将TA1和Al_0.6CoCrFeNi颗粒按9:1的质量比混合。随后，使用CS在基底上沉积一层，然后进行FSP处理

基体微观结构

图2显示了CFAM-600和CFAM-100的微观结构SEM图像。结果表明，HEA颗粒的形态和分布根据样品深度和FSP旋转速度的不同而系统性地变化。在CFAM-600中，顶部区域的颗粒分布不均匀（图2(a)），大多数颗粒发生断裂和部分溶解，质量分数为2.14 wt%（见补充材料中的表S1）。在中间区域（

基体微观结构的演变

如图3和图4所示，尽管CFAM-600和CFAM-100都表现出细化的微观结构，但它们的形态特征有显著差异。CFAM-600的基体由均匀分布的等轴α晶粒组成（图3(a)），而CFAM-100则以细小的针状α晶条为主，分布不均匀（图4(a)）。这种形态差异源于热机械耦合下的不同微观结构演变机制

结论

本研究使用CFAM技术制备了Al_0.6CoCrFeNi高熵合金增强TMCs，并系统研究了旋转速度对材料微观结构、拉伸性能和高循环疲劳行为的影响。主要结论如下：

(1)

在CDRX的作用下，CFAM-600的基体形成了平均粒径为1.9微米的均匀细晶粒。在

作者贡献声明

桥可：写作——审阅与编辑，撰写——初稿，形式分析，数据管理，概念化。严宝红：方法论，研究，数据管理。郭旭：方法论，研究，数据管理。陈善勇：可视化，方法论，研究。韩鹏：数据管理，可视化，软件。王兆：验证，研究，概念化。陈向阳：软件，形式分析，数据管理。郝亚欣：研究，形式分析。王立强：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52227807、52104383、52574447）、陕西省创新能力支持计划项目（2025ZC-KJXX-55）、陕西先进材料实验室的开放研究基金（2024ZY-JCYJ-04-09）、陕西省教育厅的关键科学研究计划（25JU027）、陕西省秦创园“科学家+工程师”团队建设（2022KXJ-099）等项目的支持