因具有高比強度、高比模量、耐高溫以及可變形加工等優異性能，顆粒增強鈦基復合材料（PRTMCs）被認為是最具發展潛力的高性能結構工程材料，在航空航天、交通運輸等關鍵裝備輕量化方面具有廣闊的應用前景。目前，PRTMCs中增強相的分布方式主要分為均勻分布和非均勻構型分布。對于前者而言，彌散分布的增強相粒子在強化基體的同時，導致位錯運動的平均自由程減小，使得基體呈現出過高的硬化狀態。另外還伴隨著基體與增強相粒子因物性與結構差異而導致的形變失配，這一結構特點在基于彌散強化型金屬基復合材料（MMCs）中容易造成應變硬化能力下降以及拉伸塑性變差，從而限制MMCs性能優勢的充分發揮。

得益于自然靈感啟發，以增強相非均勻構型分布為要素的設計理念成為目前突破MMCs強韌性倒置關系的重要途徑。通過調控增強相空間分布特征，已相繼提出了網狀、疊層、多芯、梯度和微納磚砌等典型的MMCs構型化設計方案。這些方案主要通過增強相非均勻構型在其周圍引入基體塑性變形區，利用基體塑性變形來緩解裂紋尖端的應力集中，進而減小裂紋擴展的驅動力，實現裂紋偏轉和鈍化，從而達到其強韌性匹配的目的。

然而，目前增強相非均勻構型中界面結構多以單一異質界面為特點，并未從根本上改變陶瓷增強相與金屬基體彈性模量的顯著差異，使得即使在小變形量下，界面附近也會產生顯著的應力集中，導致增強相及其界面容易成為裂紋源，不利于位錯的釘扎和存儲，從而削弱了材料的應變硬化能力。根據最新研究報道，在金屬及合金材料中通過構建晶粒尺寸不同的基體晶區以形成基體晶區異構，利用粗/細晶間彼此塑性變形能力的差異激活異質變形誘導（HDI）硬化，是解決金屬材料應變硬化能力不足，改善其強韌性倒置問題的有效措施。如能在MMCs設計中將增強相非均勻構型與基體晶區異構相結合，從而在增強相和基體塑性變形區之間形成有效的緩沖層，則有望在異質界面處激活HDI應力，為HDI硬化效應的發揮提供有利條件。理論上，現有MMCs的構型設計中在一定程度上也具有基體晶區異構的特征，但受非均勻構型制備工藝及其構型合理化程度的限制，基體晶區異構的特征并不顯著，導致HDI硬化作用得不到有效發揮，從而使其對MMCs的應變硬化能力提升貢獻極為有限。

在本文中西安理工大學科研團隊以自主研發的球形鈦基復合粉末為原料（ZL.201910528485.4、CN202210330545.3和US16/883, 657），巧妙利用粉末冶金過程中合金組元的互擴散反應，使TiBw基于球形復合粉末自組織形成球團狀非均勻構型分布，并利用TiBw的釘扎作用在TC4基體中形成可調控的細晶區和粗晶區，從而原位構建出兼具增強相非均勻構型和基體晶區異構的新型雙結構鈦基復合材料，使材料變形階段的異變誘導硬化和裂紋鈍化效應得到充分發揮。研究結果表明，雙結構TC4-TiBw復合材料的抗拉強度較TC4基體合金提升18.86%，而延伸率與基體合金保持相同水平，較均勻結構TC4-TiBw復合材料提升了230%，實現了均勻構型鈦基復合材料中幾乎無法實現的高強度-塑韌性的協同匹配。相關研究工作以“Loss-free Tensile Ductility of Dual-structure Titanium Composites via Interdiffusion and Self-organization Strategy”為題在國際頂級期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》上發表并取得了相關專利授權（ZL202011239448.0.、ZL202011450931.3.）。

論文鏈接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2302234120

該工作由西安理工大學聯合西安建筑科技大學、大阪大學接合科學研究所、東莞材料基因高等理工研究院和中科院高能物理研究所共同完成。西安理工大學劉磊博士生為第一作者，西安理工大學李樹豐教授為論文第一通訊作者，西安建筑科技大學時朋朋教授為共同通訊作者。該工作獲得國家重點研發計劃項目、陜西省重點科技創新團隊項目、國家自然科學基金項目和西安理工大學博士創新基金項目支持。

圖1. 雙結構TC4-TiBw復合材料的典型組織和力學性能

圖2. 雙結構TC4-TiBw復合材料的HDI硬化

圖3. 基于互擴散自組織策略制備雙結構TC4-TiBw復合材料的工藝示意圖及設計概念。

本項工作證明了將增強相非均勻構型和基體晶區異質結構有機結合的設計對實現鈦基復合材料強度和塑韌性協同匹配具有重要的理論意義和應用價值。文章報告了一種基于粉末冶金法通過合金元素互擴散和增強相自組織過程實現增強相呈三維球團非均勻構型的創新設計和制備策略。通過該策略，可在增強相和基體之間原位構建出具有兩級晶粒結構的新型雙結構鈦基復合材料，可充分發揮復合材料在變形階段的異變誘導硬化和裂紋鈍化效應，實現均勻構型鈦基復合材料中幾乎無法實現的強度–塑韌性的協同匹配。研究結果為解決金屬基復合材料強度和塑韌性倒置嚴重的難題提供了一種創新性解決方案。該方案有望廣泛應用于其他金屬材料和金屬基復合材料在結構和功能性提升需求的設計和開發。