來(lái)曉君，李劭鵬，韓遠(yuǎn)飛1,，邱培坤，方旻翰，呂維潔1,

(1.浙江嘉鈦金屬科技有限公司，浙江 平湖 314200)(2.上海交通大學(xué) 金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)(3.上海鈦尤金屬科技有限公司，上海 200240)

隨著我國(guó)航天航空技術(shù)的發(fā)展，對(duì)結(jié)構(gòu)材料在嚴(yán)苛服役環(huán)境下的強(qiáng)韌性等要求日益提高[1-3]。在眾多材料中，非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料以其密度低、強(qiáng)度高、剛度大、比模量高、耐高溫性能好等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為研究者關(guān)注的熱點(diǎn)[4]。經(jīng)過(guò)30多年的研究與優(yōu)化，已經(jīng)開發(fā)出許多成熟的鈦基復(fù)合材料體系[5,6]，材料的綜合性能取得了巨大突破。與鈦合金基體相比，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)與加工可將鈦基復(fù)合材料的使用溫度提高100～150 ℃，同溫度下強(qiáng)度提高100 MPa以上，有望在高溫服役環(huán)境下替代傳統(tǒng)高溫金屬材料從而達(dá)到減重效果[7]。

近年來(lái)，多元多尺度強(qiáng)化、仿生結(jié)構(gòu)強(qiáng)化等新型材料設(shè)計(jì)理論的提出，為進(jìn)一步優(yōu)化鈦基復(fù)合材料的性能提供了新的研究思路，目前應(yīng)用較為成熟的多元多尺度增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的制備方法主要有原位自生與粉末冶金2種[8,9]。原位自生技術(shù)可使微/納增強(qiáng)體在基體中均勻分布，并獲得優(yōu)良的界面結(jié)構(gòu)和界面性能[10]；粉末冶金技術(shù)可以通過(guò)混粉、鋪粉等前期設(shè)計(jì)，使增強(qiáng)體在基體中以一定結(jié)構(gòu)不均勻分布，增加了材料的可設(shè)計(jì)性[11]。因此，這2種工藝在鈦基復(fù)合材料制備領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。

本文將從多元多尺度增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的復(fù)合設(shè)計(jì)思路、先進(jìn)加工技術(shù)、力學(xué)性能及工程應(yīng)用等方面，綜述鈦基復(fù)合材料的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，并提出該材料潛在的研究方向，以期進(jìn)一步提高鈦基復(fù)合材料的綜合性能，解決鈦基復(fù)合材料的加工問(wèn)題，從而推動(dòng)鈦基復(fù)合材料“設(shè)計(jì)—制備—成形—應(yīng)用”的一體化發(fā)展。

1 復(fù)合強(qiáng)化設(shè)計(jì)思想

1.1 多元多尺度增強(qiáng)體的選擇

非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料主要通過(guò)在基體中引入高強(qiáng)、高模的陶瓷顆粒實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化效果，并提高材料的應(yīng)用潛力。1997年上海交通大學(xué)率先提出了通過(guò)原位反應(yīng)在鈦基體中引入增強(qiáng)相的思想，并成功制備出不同增強(qiáng)體系的非連續(xù)顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料[12]，并在此基礎(chǔ)上提出了多元多尺度強(qiáng)化的材料設(shè)計(jì)思想。在鈦基復(fù)合材料設(shè)計(jì)中，增強(qiáng)體的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

在多元多尺度設(shè)計(jì)方面，根據(jù)增強(qiáng)體尺度的大小可分為微米尺度與納米尺度兩類，其中TiB、TiC是應(yīng)用最廣泛的微米尺度增強(qiáng)體，其彈性模量(550 GPa)為鈦基體的4～5倍，且物理化學(xué)性質(zhì)與基體相近，無(wú)不良的界面反應(yīng)，具有優(yōu)異的增強(qiáng)效果，是理想的非連續(xù)顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料增強(qiáng)體[8，13]。La2O3、Nd2O3、Ti5Si3、Y2O3等作為納米尺度增強(qiáng)體，也被廣泛應(yīng)用于合成鈦基復(fù)合材料[14,15]，其中，稀土元素的加入不僅可以凈化基體(降低氧含量)，納米顆粒還能夠起到彌散強(qiáng)化的作用，從而明顯提高材料的高溫瞬時(shí)強(qiáng)度和持久強(qiáng)度。TixSiy以納米和微米尺度存在于基體中[16]，Si元素的固溶度對(duì)溫度較為敏感，可以通過(guò)熱處理調(diào)整Ti5Si3在基體中的存在形式、尺寸及分布，在強(qiáng)化材料的同時(shí)提高蠕變性能。除此之外，在某些特定的鈦合金中引入(TiZr)6Si3(納米尺度)、Ti3SiC2(微米尺度)等新型增強(qiáng)相(MAX相)均取得了不錯(cuò)的強(qiáng)化效果[17,18]，為多元多尺度增強(qiáng)體設(shè)計(jì)提供了新的選擇。

1.2 多元多尺度增強(qiáng)體的微觀形貌及強(qiáng)化機(jī)理

圖1為原位自生鈦基復(fù)合材料多元多尺度增強(qiáng)體的微觀形貌[19]。由于增強(qiáng)相均由液相析出，因而具有理想的界面結(jié)構(gòu)，能夠明顯降低對(duì)材料性能惡化的影響。其中，TiB主要有晶須、針狀、片狀、管狀等形態(tài)[20,21]，在形核與長(zhǎng)大過(guò)程中優(yōu)先沿[010]方向生長(zhǎng)，形成短纖維狀增強(qiáng)體。TiC為有序的面心立方結(jié)構(gòu)[22,23]，在形核長(zhǎng)大過(guò)程不存在優(yōu)先生長(zhǎng)方向，因而多以等軸狀或近等軸狀存在，但在過(guò)冷情況下形成樹枝狀晶。稀土氧化物一般以球狀形式存在，但稀土含量的提高會(huì)造成顆粒粗化或呈枝晶狀存在[24]。Ti5Si3為復(fù)雜六方結(jié)構(gòu)的金屬間化合物，其存在形式主要受含量與熱處理工藝的影響，一般在晶內(nèi)呈離散顆粒狀分布或在晶界處呈連續(xù)網(wǎng)狀分布[16]。(TiZr)5Si3或(TiZr)6Si3則只存在于特定的Ti-Zr-Si體系的基體合金中，經(jīng)時(shí)效處理后在晶內(nèi)以球狀顆粒形式析出。

由于多元多尺度增強(qiáng)體在反應(yīng)機(jī)理、存在形式、微觀形貌及尺度等方面存在明顯差異，因而具有不同的增強(qiáng)效果，其強(qiáng)化機(jī)理主要有以下5方面[25]：①細(xì)晶強(qiáng)化，增強(qiáng)相可以有效抑制在凝固、高溫?zé)崽幚砼c高溫服役時(shí)的晶粒長(zhǎng)大，并可以在熱加工過(guò)程中促使基體組織發(fā)生動(dòng)態(tài)/靜態(tài)再結(jié)晶，細(xì)化晶粒；②彌散強(qiáng)化，微納多尺度增強(qiáng)相顆粒均勻分布在基體中可有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，起到彌散強(qiáng)化的作用；③承載強(qiáng)化，增強(qiáng)相與基體界面結(jié)合力較強(qiáng)，可以有效強(qiáng)化晶界，傳遞載荷并有效抑制高溫晶界弱化效果；④固溶強(qiáng)化，添加物元素在基體中的固溶度極低，但C、Si元素在基體中的固溶度較高，微量添加時(shí)以固溶原子形式存在于基體中，起到固溶強(qiáng)化的效果；⑤凈化基體，稀土元素可吸收基體中的氧元素，有效降低基體中的氧含量，起到增強(qiáng)增韌的效果。綜上分析可知，增強(qiáng)體的加入雖能夠大幅提高材料的強(qiáng)度，但同時(shí)以犧牲材料的塑性為代價(jià)，因此增強(qiáng)體并不是越多越好，設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)服役情況與性能需求選擇合理的設(shè)計(jì)方案[26]。

圖1 原位自生復(fù)合材料多元多尺度增強(qiáng)體的微觀形貌Fig.1 Micro morphologies of multi-phase and multi-scale reinforcements for in-situ composite： (a)TiB；(b)TiC； (c)La2O3； (d)Ti5Si3； (e)(TiZr)6Si3

1.3 多元多尺度復(fù)合設(shè)計(jì)思想

為充分發(fā)揮增強(qiáng)體的尺寸效應(yīng)與功能效應(yīng)，達(dá)到更好的增強(qiáng)效果，提出了多元多尺度協(xié)同強(qiáng)化的設(shè)計(jì)思想：即通過(guò)改變?cè)鰪?qiáng)體類型及尺度大小，并調(diào)控各增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)，以充分發(fā)揮各增強(qiáng)體的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到協(xié)同強(qiáng)化效果。在多元多尺度強(qiáng)化設(shè)計(jì)思路的基礎(chǔ)上，進(jìn)行的研究工作主要有：①根據(jù)高溫服役條件的需求，選擇合適的基體，現(xiàn)已成功研制出以Ti6242、Ti1100、IMI834等高溫鈦合金為基體的多元多尺度復(fù)合強(qiáng)化體系[27-31]；②設(shè)計(jì)與調(diào)控不同增強(qiáng)體的組合及配比，以實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能的調(diào)控，現(xiàn)已開發(fā)出(TiBw+TiCp)、(TiBw+La2O3)、(TiBw+Ti5Si3)、(TiC2+Ti5Si3)等二元體系以及(TiBw+TiCp+La2O3)、(TiBw+TiCp+Nd2O3)、(TiBw+TiCp+Y2O3)、(TiCp+Ti5Si3+Ti3SiC2)[32-34]等多元多尺度混雜強(qiáng)化體系;③通過(guò)熱加工和熱處理工藝調(diào)控增強(qiáng)體與基體組織，現(xiàn)已開發(fā)出適用于不同體系鈦基復(fù)合材料的超塑性加工、鍛造、擠壓、軋制、等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAP)等加工工藝及后續(xù)熱處理工藝。

此外，受自然界中多元物質(zhì)結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，在多元多尺度設(shè)計(jì)思路的基礎(chǔ)上，仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐漸成為研究的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的多尺度設(shè)計(jì)思想力求增強(qiáng)體在基體中均勻分布，以獲得穩(wěn)定的性能，但是各增強(qiáng)體的強(qiáng)化作用均存在一定的限度且無(wú)法解決材料強(qiáng)度-塑性倒置的問(wèn)題。而性能相對(duì)較高的材料大多是因?yàn)榫哂卸嗉?jí)多尺度微觀結(jié)構(gòu)才表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，不但具有超高的強(qiáng)度，也表現(xiàn)出優(yōu)異的塑性，因此在多元多尺度的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)增強(qiáng)體的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而發(fā)揮結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌化作用的設(shè)計(jì)思想，逐漸被廣泛應(yīng)用于鈦基復(fù)合材料的開發(fā)中。在此設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下，制備出了多級(jí)多尺度的鈦基復(fù)合材料并取得了優(yōu)異的強(qiáng)化效果。韓遠(yuǎn)飛等人[35,36]以純Ti粉和LaB6粉末為原料，采用粉末冶金法和熱軋制法，原位自生制備出(TiBw+La2O3)/Ti-Ti層狀復(fù)合材料(圖2a)，與同樣增強(qiáng)體含量的(TiBw+La2O3)/Ti復(fù)合材料相比，其抗拉強(qiáng)度下降幅度不大，但延伸率提升1倍以上，表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。哈爾濱工業(yè)大學(xué)黃陸軍等人[37-40]通過(guò)低能球磨將小尺寸增強(qiáng)體均勻包覆在大尺寸基體合金周圍，并通過(guò)反應(yīng)熱壓燒結(jié)技術(shù)制備出了增強(qiáng)體呈三維連續(xù)網(wǎng)狀分布的TiBw/Ti復(fù)合材料(圖2b)[37]，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)調(diào)控增強(qiáng)體種類、體積分?jǐn)?shù)、網(wǎng)狀尺寸等參數(shù)相繼制備出了多級(jí)多尺度準(zhǔn)連續(xù)網(wǎng)狀增強(qiáng)[38,39]以及層狀網(wǎng)狀復(fù)合增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料(圖2c)[40]。綜上分析，多級(jí)多尺度設(shè)計(jì)思想不僅能夠大幅提升材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，而且能夠提高材料的塑性。

圖2 仿生結(jié)構(gòu)強(qiáng)化鈦基復(fù)合材料的微觀組織Fig.2 Microstructures of bionic structure strengthened titanium matrix composites：(a)layered； (b)network； (c)layered-network

2 先進(jìn)成形技術(shù)及應(yīng)用

高強(qiáng)高模增強(qiáng)體的加入會(huì)大大降低復(fù)合材料的熱加工性能，因而難以用傳統(tǒng)成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)大型構(gòu)件的制備及批量化生產(chǎn)。以等溫精密鍛造技術(shù)、精密鑄造技術(shù)與激光增材制造技術(shù)為代表的先進(jìn)成形技術(shù)，可分別從不同角度解決鈦基復(fù)合材料大尺寸復(fù)雜構(gòu)件的成形問(wèn)題，受到了研究者的廣泛關(guān)注。

2.1 等溫精密鍛造成形

等溫精密鍛造可以有效地降低材料的變形阻力，引起動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，消除粗大組織，使組織均勻化，有效提高材料利用率，從而降低加工成本[41]。因此，等溫精密鍛造被認(rèn)為是鈦基復(fù)合材料大尺寸構(gòu)件制備最具應(yīng)用前景的熱加工技術(shù)。早期的研究中已有學(xué)者通過(guò)熱壓縮實(shí)驗(yàn)獲得了(TiBw+La2O3)/IMI834復(fù)合材料的等溫?zé)峒庸ぷ罴压に嚧翱赱42]，為多尺度增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的等溫精密鍛造加工提供了理論指導(dǎo)。為進(jìn)一步優(yōu)化多尺度鈦基復(fù)合材料的等溫鍛造工藝，研究人員對(duì)不同初始組織材料的熱加工性能與超塑變形機(jī)理進(jìn)行了更深入的研究。

2.1.1 材料的熱加工成形性

材料的熱變形性能是影響等溫鍛造工藝的重要因素。馬鳳倉(cāng)等人[43]研究了5 vol%TiC/Ti-1100復(fù)合材料的熱變形行為，發(fā)現(xiàn)TiC顆粒以及α/β相體積比的變化會(huì)引起活化能的變化，從而導(dǎo)致復(fù)合材料具有不同的變形機(jī)制。Zheng等人[44]研究了(TiB+TiC)/Ti的熱壓縮性能，發(fā)現(xiàn)與基體合金相比，復(fù)合材料的峰值流變應(yīng)力更高。盡管許多工作都集中在含TiB和TiC的鈦基復(fù)合材料上，但這些增強(qiáng)體均為微米尺度。在多尺度方面，邱培坤等人[26,45]研究了具有微米TiB和納米La2O3的近α-Ti合金的微觀組織、力學(xué)性能及熱穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)多尺度增強(qiáng)體的存在會(huì)促進(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為，利于基體晶粒的細(xì)化。該研究工作主要集中在鑄態(tài)材料，對(duì)不同初始組織材料的壓縮行為及組織演變機(jī)理的研究較少。B.Poorganji等人[46,47]通過(guò)改變?chǔ)鹿倘軠囟鹊睦鋮s速率得到具有不同初始結(jié)構(gòu)的Ti-1.5Fe合金，研究了熱變形過(guò)程中組織的演變機(jī)理，發(fā)現(xiàn)鈦合金在β相區(qū)淬火可以細(xì)化層狀間距和晶粒尺寸，同時(shí)也能夠促進(jìn)晶粒的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。這種影響規(guī)律的揭示為復(fù)合材料新加工技術(shù)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)具有不同初始結(jié)構(gòu)的多尺度(TiBw+La2O3)/IMI834復(fù)合材料的熱變形行為與組織演變機(jī)理進(jìn)行了研究[48]。研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的峰值流變應(yīng)力對(duì)初始組織較為敏感，在920 ℃變形時(shí)，與淬火再加熱材料相比爐冷材料的流動(dòng)阻力大幅降低，因此通過(guò)爐冷處理獲得的片層尺寸較大的初始組織可以在較低的加工溫度下保持良好的加工性能。

2.1.2 材料的超塑性變形機(jī)理

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相繼開展了非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料超塑性成形技術(shù)的研究。在單元增強(qiáng)體中，V.Sinha等人[49]研究了Ti-6Al-4V-0.1B體系的超塑性變形，發(fā)現(xiàn)TiB分布在晶界和相界，改變了超塑性變形的機(jī)制，使得含TiB的鈦合金在超塑性變形時(shí)的流變應(yīng)力較未添加B的鈦合金低。英國(guó)牛津大學(xué)E.Alabort等人[50]通過(guò)合金設(shè)計(jì)制備出B元素改性的鈦合金，該合金具有優(yōu)異的低溫超塑性，在550～600 ℃仍表現(xiàn)出良好的超塑性性能。上海交通大學(xué)王敏敏等人[51,52]對(duì)二元TiB、TiC復(fù)合增強(qiáng)的Ti-1100復(fù)合材料超塑性變形進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，在800 ℃、0.001 s-1變形條件下獲得了優(yōu)異的超塑性，延伸率達(dá)到659%。并在此基礎(chǔ)上研究了不同初始組織7715D系鈦基復(fù)合材料的超塑性，發(fā)現(xiàn)等軸組織的復(fù)合材料最大延伸率可達(dá)802%，網(wǎng)籃組織的復(fù)合材料最大延伸率可達(dá)625%。為解決多元多尺度體系鈦基復(fù)合材料的超塑性變形問(wèn)題，對(duì)(TiB+La2O3)/IMI834的超塑性變形機(jī)理進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，超塑性變形的最佳條件為900 ℃、0.001 s-1，在該條件下延伸率可達(dá)501%。復(fù)合材料在900 ℃下的超塑性變形機(jī)制主要為晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)、晶界滑動(dòng)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。其中，多尺度增強(qiáng)體可以在變形中阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，在附近積累較高的位錯(cuò)密度，為再結(jié)晶形核提供驅(qū)動(dòng)力，在改善材料超塑性、調(diào)控基體組織方面發(fā)揮了重要的作用。因此，變形機(jī)理的確立與變形參數(shù)的優(yōu)化，為多元多尺度鈦基復(fù)合材料等溫超塑性成形和組織調(diào)控提供了重要的理論依據(jù)。

2.2 精密鑄造成形

精密鑄造技術(shù)是制備復(fù)雜形狀構(gòu)件的一種低成本、高成材率的成形工藝。

金屬的流動(dòng)性是影響鑄造成形的重要指標(biāo)，主要取決于材料的成分、凝固機(jī)制、表面張力、粘度、過(guò)熱度、鑄模材料和表面特性等冶金和鑄造因素[53,54]。鈦基復(fù)合材料的流動(dòng)性與傳統(tǒng)鈦合金存在較大差異。大量基礎(chǔ)研究表明[55,56]，增強(qiáng)相的添加會(huì)增加熔體的粘度，在凝固過(guò)程中增強(qiáng)體的析出會(huì)阻礙熔體流動(dòng)，降低復(fù)合材料熔體的流動(dòng)性，造成不完全充型的結(jié)果。為解決這一問(wèn)題，上海交通大學(xué)[57,58]對(duì)復(fù)合材料的凝固過(guò)程進(jìn)行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)B4C的添加雖然改變了復(fù)合材料的凝固結(jié)晶路徑，降低了熔體的流動(dòng)性，但流動(dòng)性并非單調(diào)減小，當(dāng)增強(qiáng)體含量接近共晶點(diǎn)時(shí)，從熔液中析出的TiB顆?？梢砸种浦У臄U(kuò)散和生長(zhǎng)，獲得球形組織，降低流體流動(dòng)阻力，反而可以提高熔體的填充能力。為更直觀的反映各因素對(duì)熔體流動(dòng)性能的影響，結(jié)合材料的特性修訂了復(fù)合材料熔體的流動(dòng)方程，并通過(guò)實(shí)體澆鑄實(shí)驗(yàn)，獲得了充型完整的復(fù)合材料鑄件，如圖3a所示。圖3b、c分別為復(fù)合材料鑄件和基體合金的顯微組織?？梢钥闯?，復(fù)合材料鑄態(tài)晶粒尺寸較基體合金大幅細(xì)化。退火后鑄件的450 ℃高溫強(qiáng)度達(dá)到575 MPa，較基體合金提高了25%以上。

圖3 精密鑄造鈦基復(fù)合材料構(gòu)件及復(fù)合材料與基體合金的鑄態(tài)組織Fig.3 Precision casting titanium matrix composites： (a)demonstration components；(b)microstructure of as-cast composites; (c)microstructure of as-cast matrix alloy

目前，上海交通大學(xué)成功解決了耐熱鈦基復(fù)合材料大型鑄件的精密鑄造問(wèn)題，為精密鑄造技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。為進(jìn)一步推動(dòng)精密鑄造工藝的應(yīng)用，后續(xù)研究方向可能主要集中在細(xì)化增強(qiáng)體種類、含量對(duì)復(fù)合材料流動(dòng)性的影響，建立完善的流動(dòng)停止機(jī)制，優(yōu)化不同尺寸不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件的澆鑄工藝參數(shù)，提高鈦基復(fù)合材料的充型性等方面。

2.3 激光增材制造智能加工成形

近年來(lái)，金屬激光增材制造(3D打印)技術(shù)的發(fā)展使鈦基復(fù)合材料“設(shè)計(jì)—制備—成形”一體化變?yōu)榭赡?，在制備小型?fù)雜結(jié)構(gòu)件方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力[60]。目前增材制造技術(shù)在鈦合金構(gòu)件的制備與應(yīng)用上已經(jīng)取得了巨大突破[61]，其中北京航空航天大學(xué)王華明教授團(tuán)隊(duì)[62]采用激光熔化沉積技術(shù)制備出的TA15鈦合金飛機(jī)角盒、TC4鈦合金飛機(jī)座椅支座等鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件已經(jīng)得到裝機(jī)應(yīng)用。

早期的研究中，研究者采用噴粉或混粉的方式通過(guò)合金與增強(qiáng)體在熔融狀態(tài)下的反應(yīng)使二者結(jié)合。其中E.Fereiduni 等人[63]以B4C為原料通過(guò)選區(qū)激光熔化技術(shù)制備出TiC+TiB增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料，使鈦基體的綜合性能得到了顯著提升。蔡超等人[64]以TiB2為原料，利用SLM技術(shù)制備出了TiB增強(qiáng)的TC4復(fù)合材料，在基體中獲得了細(xì)小的TiB增強(qiáng)相。Hu等人[65]也得到了類似的結(jié)果，并發(fā)現(xiàn)TiB的連續(xù)網(wǎng)狀分布改善了材料的強(qiáng)韌性。

但由于增材制造工藝的特殊性，制備過(guò)程中在較短的激光掃描時(shí)間與較低的激光功率下，TiB2無(wú)法與基體充分反應(yīng)，僅能在TiB2表面優(yōu)先反應(yīng)，因此在增強(qiáng)體與基體界面觀察到了未反應(yīng)的顆粒。為從根本解決增材制造鈦基復(fù)合材料的制備問(wèn)題，研究人員對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行了改進(jìn)，提出了原位自生技術(shù)與氣霧化制粉技術(shù)相結(jié)合的工藝，解決了反應(yīng)物殘留的問(wèn)題。氣霧化制粉工藝可制備出增強(qiáng)體分布均勻的球形粉體，能夠解決因混粉造成的增強(qiáng)體分布不均勻的問(wèn)題。增材制造技術(shù)的發(fā)展使鈦基復(fù)合材料“制備—成形”一體化成為了可能，但目前關(guān)于鈦基復(fù)合材料增材制造技術(shù)的研究還不完善。多體系鈦基復(fù)合材料的制備、增強(qiáng)體析出及強(qiáng)化機(jī)制的研究、通過(guò)工藝參數(shù)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷及組織的精準(zhǔn)調(diào)控、熱處理工藝對(duì)組織演變機(jī)理的探究、高端組件的穩(wěn)定化制備等，對(duì)于利用增材制造技術(shù)制備鈦基復(fù)合材料復(fù)雜構(gòu)架的發(fā)展具有重要意義。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

上海交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)20多年的研究與積累，已經(jīng)建立了成熟的多元多尺度鈦基復(fù)合材料成分設(shè)計(jì)、穩(wěn)定制備、成形加工及熱處理改性生產(chǎn)及加工體系。成功開發(fā)出了TC4基高韌性系列鈦基復(fù)合材料與IMI834基耐高溫系列鈦基復(fù)合材料，并可以通過(guò)原位自生技術(shù)實(shí)現(xiàn)鈦基復(fù)合材料鑄錠的大批量制備。開發(fā)出了成熟的等溫鍛造、精密鑄造等成形工藝，實(shí)現(xiàn)了鈦基復(fù)合材料的近凈成形，可根據(jù)需求制備不同體系、不同尺寸、不同結(jié)構(gòu)的鈦基復(fù)合材料。

為降低鈦基復(fù)合材料的生產(chǎn)成本，上海交通大學(xué)利用工業(yè)化真空自耗熔煉爐成功實(shí)現(xiàn)了噸級(jí)鈦基復(fù)合鑄錠(質(zhì)量1.2 t)的批量化生產(chǎn)。圖4為等溫精密鍛造制備的鈦基復(fù)合材料坯錠與等溫精密鍛件。在優(yōu)化后的等溫鍛造工藝下，鍛件能夠獲得均勻的組織與穩(wěn)定的力學(xué)性能。制備的微納增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料等溫鍛件已通過(guò)航天科工集團(tuán)新材料鑒定，在航天科工集團(tuán)和中船重工獲得應(yīng)用，其力學(xué)性能全面超越國(guó)標(biāo)TC4鈦合金鍛件，原材料利用率提高70%以上，單件成本降低66%?，F(xiàn)已建成擁有3 000 t等溫壓機(jī)與全套耐高溫模具的等溫精密鍛造生產(chǎn)線，可實(shí)現(xiàn)不同變形量坯錠、板材與復(fù)雜構(gòu)件的精密鍛造。

圖4 鈦基復(fù)合材料等溫精密鍛造構(gòu)件Fig.4 Demonstration components of isothermal precision forging of titanium matrix composites： (a)component in forging； (b)forging blanks with different deformation； (c)iso-thermal precision forging

圖5為通過(guò)精密鑄造技術(shù)制備的多元多尺度鈦基復(fù)合材料殼體構(gòu)件與葉輪。在精密鑄造成形后輔以機(jī)械加工可以獲得表面光潔無(wú)縮孔、內(nèi)部組織完好無(wú)缺陷、力學(xué)性能均勻的殼體構(gòu)件，大大減少了機(jī)加工的難度與成本。現(xiàn)已建成擁有150 kg凝殼爐澆鑄設(shè)備的鈦基復(fù)合材料精密鑄造生產(chǎn)線，可實(shí)現(xiàn)最大外徑1 200 mm、高度500 mm鈦基復(fù)合材料構(gòu)件的澆鑄成形，單件質(zhì)量最大可達(dá)100 kg。對(duì)于5 vol%(TiB+TiC)/TC4復(fù)合材料鑄件，室溫強(qiáng)度和延伸率分別為1 030 MPa、2.5%，相比鑄態(tài)基體合金大幅提升。

圖5 鈦基復(fù)合材料精密鑄造成形構(gòu)件Fig.5 Demonstration components of precision casting of titanium matrix composites：(a)thin-walled shell； (b)impeller

4 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)鈦基復(fù)合材料經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的研究和發(fā)展，已經(jīng)擁有了成熟的材料體系和制備技術(shù)，材料綜合性能得到了大幅提升。為進(jìn)一步提高鈦基復(fù)合材料的綜合性能，解決鈦基復(fù)合材料的加工問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)鈦基復(fù)合材料“設(shè)計(jì)—制備—成形—應(yīng)用”一體化，今后研究方向和發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)集中在以下幾點(diǎn)。

(1)“微納+構(gòu)型”強(qiáng)韌化設(shè)計(jì)：通過(guò)對(duì)鈦基復(fù)合材料增強(qiáng)體種類、尺寸、分布及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體有序非均勻分布，發(fā)揮增強(qiáng)體尺度及構(gòu)型協(xié)同強(qiáng)韌化的作用，突破復(fù)合材料強(qiáng)度-塑韌性倒置的局限，提高材料性能的穩(wěn)定性，開發(fā)出新型高強(qiáng)高韌鈦基復(fù)合材料。

(2)實(shí)現(xiàn)智能熱加工技術(shù)精密成形與組織的精準(zhǔn)調(diào)控：深化對(duì)鈦基復(fù)合材料熱加工工藝及機(jī)理的研究，探究增強(qiáng)體、初始組織、內(nèi)部構(gòu)型等因素對(duì)鈦基復(fù)合材料熱變形機(jī)制的影響規(guī)律，建立完備的熱加工體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料組織的精準(zhǔn)調(diào)控，推動(dòng)等溫鍛造技術(shù)在制備大尺寸結(jié)構(gòu)材料方面的應(yīng)用。

(3)鈦基復(fù)合材料高端高性能構(gòu)件的穩(wěn)定化制備：發(fā)揮制備工藝及先進(jìn)加工手段的優(yōu)勢(shì)，采用原位自生技術(shù)、激光熔覆技術(shù)、增材制造技術(shù)(3D打印)相結(jié)合的方法，開發(fā)復(fù)合材料精密微小構(gòu)件、結(jié)構(gòu)復(fù)雜構(gòu)件等高端組件的制備與后處理工藝，使鈦基復(fù)合材料在性能和精度方面滿足尖端領(lǐng)域的需求。

(4)開發(fā)低成本高性能鈦基復(fù)合材料的制備及加工工藝，提高成材率，降低鈦基復(fù)合材料的使用門檻，實(shí)現(xiàn)鈦基復(fù)合材料從軍事工業(yè)領(lǐng)域到民用工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。