《高强韧层状钛基复合材料》围绕层状结构钛基复合材料这一新型材料，系统总结作者研究团队近年来的研究进展与创新成果。《高强韧层状钛基复合材料》以Ti-TiB体系为代表，系统阐述层状及层状梯度结构钛基复合材料的设计原理与制备方法，深入分析其微观组织与界面特征，全面研究拉伸与弯*力学行为，以及热轧制与热处理过程中的组织演化与性能调控规律。在此基础上，揭示层状钛基复合材料的变形机制与强韧化机理。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 概述 1
1.2 层状金属复合材料制备方法 2
1.3 金属基复合材料的组织设计与调控 4
1.4 层状金属复合材料的强韧化机制与影响因素 6
参考文献 8
第2章 层状钛基复合材料设计、制备与组织 14
2.1 层状钛基复合材料设计 14
2.1.1 复合材料中增强相的选择 14
2.1.2 复合材料的基体选择与结构设计 16
2.2 扩散连接法制备层状钛基复合材料 17
2.3 热压烧结法制备层状钛基复合材料 20
2.3.1 钛板-钛粉热压烧结法 20
2.3.2 粉末堆叠热压烧结法 22
2.3.3 交替叠层铺粉热压烧结法 25
2.4 层状钛基复合材料的组织特征 27
2.4.1 层状钛基复合材料的微观组织 27
2.4.2 层状钛基复合材料基体组织的细化 32
2.4.3 层界面的元素扩散行为 35
2.4.4 层界面的界面结合强度 41
2.5 本章小结 42
参考文献 42
第3章 层状钛基复合材料的拉伸行为 45
3.1 拉伸性能分析 45
3.2 拉伸变形与断裂特征 47
3.3 材料参数对拉伸性能的影响 51
3.3.1 层厚度的影响 51
3.3.2 层厚比的影响 52
3.3.3 TiB增强相含量的影响 57
3.4 加载条件对性能的影响 60
3.4.1 拉伸方向的影响 60
3.4.2 拉伸应变速率的影响 64
3.5 本章小结 70
参考文献 70
第4章 层状钛基复合材料的三点弯*行为 73
4.1 三点弯*性能分析 73
4.2 弯*变形与断裂特征 75
4.2.1 层状钛基复合材料弯*变形特征 75
4.2.2 层状梯度复合材料弯*断裂特征 81
4.3 材料参数对弯*性能的影响 83
4.3.1 层厚比的影响 83
4.3.2 增强相含量的影响 86
4.4 叠层结构的影响 88
4.5 复杂加载条件下的弯*性能 95
4.5.1 加载方向对弯*性能的影响 95
4.5.2 层状钛基复合材料的缺口弯*行为 97
4.5.3 层状钛基复合材料的冲击行为 98
4.6 本章小结 102
参考文献 102
第5章 层状钛基复合材料热轧制与热处理 105
5.1 层状TC4-TiB/TC4复合材料的热轧制 105
5.1.1 热轧态复合材料的微观组织 105
5.1.2 热轧态复合材料的基体再结晶行为 111
5.1.3 热轧态复合材料的力学性能 118
5.1.4 热轧态复合材料的变形与断裂机理 120
5.2 层状Ti-5%TiB/TA15的热轧制与热处理 122
5.2.1 热压缩复合材料的微观组织 122
5.2.2 热轧态复合材料的微观组织 124
5.2.3 热轧态复合材料的拉伸行为 126
5.2.4 热轧态复合材料的退火处理 128
5.3 层状0.5%TiB/Ti-3.5%TiB/TA15的热轧制 131
5.3.1 热轧态复合材料的微观多尺度组织 131
5.3.2 热轧态复合材料的拉伸行为 135
5.4 层状0.5%TiB/Ti-5%TiB/TA15的热轧制与热处理 138
5.4.1 复合材料大变形量热轧制 138
5.4.2 退火态复合材料的组织演变 141
5.4.3 退火态复合材料的拉伸性能 145
5.5 本章小结 147
参考文献 147
第6章 层状钛基复合材料的强韧化机理 150
6.1 弯*加载条件下的变形机理与强化作用 150
6.1.1 三点弯*的阶段变形行为 150
6.1.2 弯*过程中隧道裂纹的产生 152
6.1.3 弯*过程的试样厚度尺寸效应 154
6.1.4 层状钛基复合材料的强化机理 157
6.2 拉伸加载条件下的变形机理与强化作用 159
6.2.1 钛合金层的拉伸变形机理 159
6.2.2 TiB增强钛基复合材料层的裂纹萌生与扩展机理 162
6.3 多尺度晶粒的强化与韧化作用 168
6.3.1 多尺度晶粒强化加工硬化能力 168
6.3.2 层状钛基复合材料层间晶粒变形行为 174
6.3.3 多尺度晶粒的变形协调行为 177
6.3.4 TiB增强相对晶粒转动的影响 179
6.3.5 多尺度晶粒结构的强韧化机制 181
6.4 本章小结 182
参考文献 183
第7章 新型层状钛基复合材料体系 185
7.1 含二维增强相的层状钛基复合材料 185
7.2 TiC增强的层状钛基复合材料 187
7.3 稀土氧化物增强的层状钛基复合材料 188
7.4 层状TiAl基复合材料 189
7.5 增材制造层状钛基复合材料 191
7.6 层状钛基复合材料发展的展望 193
参考文献 194

第1章 绪论
　　1.1 概述
　　层状结构金属材料的应用可追溯至公元前。锻刀工艺中多枚钢材的叠层锻打，是早期层状材料制备的典型范例。随着科技的进步，在对自然界的生物材料进行分析时发现，诸多生物材料通过构建跨层级、跨尺度的精妙结构，展现出超越人造材料的优异强韧性。例如，贝壳珍珠层以“硬相”文石片(CaCO3)和“软相”有机质(蛋白质和多糖)交替叠层排列，形成“砖砌式”纳米层状结构复合材料。骨密质则包含从纳米尺度到宏观尺度范围的多级叠层结构，每一层级内部均实现了结构与成分的匹配，通过不同层级的有序失效，延迟整个材料的失效，*大限度发挥力学性能优势。
　　受自然界生物结构的启发，科学家设计出人工层状复合材料[1]。层状金属复合材料是指由两种或两种以上具有不同物理或化学性能的纯金属或合金组合而成的新型复合材料，典型体系包括Ti-Al、Al-Cu、Al-Fe等。层状金属复合材料通过对组元层体系、厚度的科学设计，以及层界面形态与结合的充分调控，兼顾了强度与韧性，是优良的结构材料，广泛应用于航天、航海、交通等关键领域。
　　金属基复合材料是在金属或合金基体中加入可控含量的纤维、晶须或颗粒，经人工复合而成的复合材料[2]。其具有高比模量、高比强度、可控的热膨胀系数以及良好的耐磨性能和高温性能等特性，同时具有很好的可设计性，是一类先进的高性能材料。其中，以铝合金、镁合金和钛合金等轻金属为基体制备的轻质金属基复合材料，在航空航天领域有重要的应用价值。以非连续增强钛基复合材料为例，其密度和耐蚀性与钛合金相近，同时模量、强度和耐高温性能显著提升，是航空航天和海洋领域的关键结构材料。然而，陶瓷增强相的引入会大幅降低钛基复合材料的塑性与韧性，形成“强度提升与塑韧性下降”的矛盾。结合层状结构的韧化优势与钛基复合材料的高强度特性，设计并制备高强韧层状钛基复合材料，将是突破钛基复合材料塑韧性不足的有效途径[3]。
　　但是目前，针对层状钛基复合材料乃至层状金属基复合材料的研究仍较为匮乏。相较于以纯金属或合金为组元层的传统层状金属复合材料，以金属基复合材料为组元层的层状金属基复合材料在研制过程中面临以下难题：
　　(1)材料制备与层状结构构建的同时实现。传统层状金属复合材料可选用塑性好的纯金属或合金作为组元层，对制备工艺的兼容性强。而金属基复合材料的制备需要考虑陶瓷增强相与金属基体之间的界面结合问题，导致制备方法选择受限。同时，金属基复合材料的塑性和韧性普遍低于基体合金，进一步增加了层状结构引入的难度。因此，如何在制备金属基复合材料的同时，构建稳定的层状结构，是层状金属基复合材料研制的*要难题。
　　(2)层状金属基复合材料基体组织的精准调控。当前对金属基复合材料的研究多聚焦于增强相尺寸与分布的调控，而对基体组织的调控关注较少。如何将传统层状金属复合材料中对合金组元层组织调控的研究成果延伸至层状金属基复合材料，是实现现有金属基复合材料性能突破的关键途径。
　　(3)层状结构与增强相协同作用下的变形及强韧化机理的揭示。现有研究多单*围绕层状金属复合材料的层间作用，或金属基复合材料的增强相作用展开。层状金属基复合材料的力学行为具有特殊性，需同时考虑层状结构的韧化效应与增强相的强化效应，明确二者的协同作用机制。因此，系统揭示层状结构与增强相共同作用下材料的变形规律及强韧化机理，是层状金属基复合材料设计优化的理论基础。
　　针对以上问题，本书以层状钛基复合材料为研究对象，重点围绕其制备工艺、力学性能、基体组织调控和强韧化机理展开讨论。希望通过本书的内容，可以为层状金属复合材料和金属基复合材料的设计与性能提升提供理论支撑与技术指导。
　　1.2 层状金属复合材料制备方法
　　层状金属复合材料的制备方法根据原材料的物质状态一般可分为固-固复合法、固-液复合法和液-液复合法。目前研究以固-固复合法为主[4]，常用制备方式包括爆炸复合法、轧制复合法、扩散复合法、粉末冶金法与增材制造法等[5]。
　　爆炸复合法借助炸药爆炸产生的巨大冲击将层板材料瞬间焊在一起，使层板材料瞬间发生剧烈塑性变形甚至熔化，进而实现层间结合。该方法于?1944?年由Carl提出[6，7]，在20世纪50年代被应用于钢-铝复合并成功实现工业化。爆炸复合法所制备的层状材料具有极强的界面结合强度，其层界面既存在物理结合，也发生化学结合。由于爆炸带来的巨大能量，这种复合方式可以实现大尺寸板材的制备。爆炸复合法制备的层状金属复合板界面并非平直界面，而是具有*特的连续规则波浪状的界面，这与冲击波的作用有关，且界面漩涡区域能观察到明显的金属熔融现象，同时爆炸载荷会显著影响界面组织的波形振幅、熔融金属比例以及界面结合强度[8]。由于界面结合主要通过冲击波造成的剧烈塑性变形实现，该方法要求各层材料具备良好的抗冲击性能。对于抗冲击性能较差的材料(如各类金属基复合材料)，其在冲击作用下会在材料内部引入缺陷，甚至造成材料断裂，因而这种方法存在一定的限制。
　　轧制复合法通过轧机施加的巨大轧向应力使板材发生塑性变形，让裸露出的新鲜表面形成冶金结合，是应用非常广泛的层状金属复合材料的制备方式[9]。其制备流程主要包括轧前表面处理、轧制变形以及轧后退火处理。为了保证板材之间的良好结合，在轧制复合前一般需要对各板材的表面进行清理。由于两层材料变形的不均匀，为了消除轧制变形带来的层界面附近的残余应力，一般需对轧制后的材料进行退火处理[10]。轧制复合法分类方式多样：按两轧辊速度差异可分为同步轧制与异步轧制，按待轧复合板温度差异可分为同温轧制与异温轧制，*常用的则是按轧制温度是否高于再结晶温度，分为冷轧复合与热轧复合[11]。其中，热轧复合法是轧制复合中使用*多的工艺，于1860年发明并成功实现应用，具有工艺简单、轧制力要求小、结合强度高、成本低等优点，常使用保护气氛或引入中间层来改善界面硬脆相生成与氧化产物析出等问题[12]。此外，累积叠轧法凭借其大变形量的特性，常用于Nb-Cu[13]、Ti-Nb[14]等纳米级层状金属复合材料的制备，已成为当前研究热点。
　　扩散复合法是指在真空或保护气氛、加热温度以及外加压力条件下，使同种或异种金属之间紧密接触的清洁表面发生一定塑性变形，通过热力作用下的原子互扩散，实现固相冶金连接的方法[15]。扩散结合主要包括材料间的物理接触以及原子化学扩散两个过程。在物理接触阶段，界面处的原子在塑性变形的作用下相互靠近，实现化学反应前的准备。在化学扩散的过程中，接触表面的原子发生化学反应。随后，原子向材料深层扩散，形成扩散层。实际上，异种材料的轧制复合过程中往往伴随着扩散现象，而扩散复合形成的扩散层不仅实现了层间化学结合，还降低了达到目标界面结合强度所需的轧制变形量，减少了因剧烈轧制导致层结构破坏的风险。对扩散复合法而言，界面产物的特性以及扩散速度是影响所制备材料性能的主要因素。界面产物的韧性或脆性直接决定复合后层状材料的性能优劣。因此，在研究过程中需要选择合适的材料体系，并通过控制温度与保温时间对界面扩散的速度和界面产物加以控制。
　　粉末冶金法制备层状金属复合材料是本书着重介绍的内容。该方法制备的复合材料具有组织与性能均匀的优势。不仅如此，由于以粉末作为原材料，相较于熔铸法，材料设计与调控更为简便，更易发挥复合材料可设计性强的特点。通过对粉末分布的精确调控(如通过一系列手段引入层状结构)，再经致密化过程获得块体材料，可实现具有非均匀结构特征的材料制备，该方式也常用于梯度材料制备[16，17]。层状金属复合材料的粉末冶金制备可采用多种工艺路线：既可先将粉末进行预成型[18]，也可采用“粉末-箔片”交替叠加的方式[19]；还可直接通过铺粉-烧结工艺制备层状材料[20-22]。粉末冶金制备过程中，要求各层基体材料的熔点以及相变点接近，进而确保各层材料在烧结过程中同时实现致密化，否则会出现一层材料已经熔化，另一层材料仍未致密的现象。
　　新兴的增材制造技术是一种“自下而上”的金属材料近净成形制备加工方法，在复杂件精密成形方面具有*特优势。其核心优点在于可设计性强，能够制备包括层状结构在内的各种复杂结构材料[23]。例如，以(Ti+5%TiB2)-(Ti+10%TiB2)-(Ti+15%TiB2)?为原材料的三层结构复合材料[24]，采用激光熔化沉积技术制备的以Ti6Al4V(TC4)为基体的TC4-(TiB+TiC)/TC4层状复合材料[25]，基于电子束定向能量沉积方法，通过TC4合金与B改性TC4合金交替沉积成功制备的TC4(B)-TC4层状复合材料[26]，以及利用激光金属沉积技术制备的γ-TiAl/Ti2AlNb层状梯度合金[27]等。需要指出的是，增材制造法因存在快速加热和快速冷却过程，其制备的层状材料界面组织通常较为复杂，且热影响区较大；同时，较快的冷却速度易导致材料内部产生较高残余应力，因此通常需配合后续热处理进行组织调控。
　　由于钛基复合材料本身塑性较差，对塑性要求较高的爆炸复合法和轧制复合法，不适用于层状钛基复合材料的制备。因此，本书主要介绍基于扩散连接法、粉末冶金法制备的层状钛基复合材料。
　　1.3 金属基复合材料的组织设计与调控
　　对复合材料基体组织进行调控至关重要且不可或缺。研究表明，均匀的晶粒结构对金属材料性能的影响呈单调规律，即晶粒尺寸增大可使材料强度降低、塑性提升(在一定范围内)，这导致强度-韧性的倒置关系难以破解，因而需设计非均匀分布的晶粒结构以打破这一困境。
　　Lu[28]提出通过调控晶粒均匀性以构建梯度晶粒结构分布来实现材料的强韧化。相比于传统单一粗晶或细晶组织的材料，梯度晶粒结构材料展现出更优异的综合力学性能，强度与塑性均较原始材料显著提升，突破了强度与塑性难以兼顾的瓶颈。其核心机制为表面纳米层的变形受芯部粗晶约束而发生软化，芯部粗晶则被硬化，不同尺度的晶粒在变形过程中相互协调。此外，梯度晶粒结构会引入多轴应力状态并激活数个滑移系，进而提升材料塑性。例如，通过扭转的方式，在高锰钢中引入了梯度孪晶结构，材料的屈服强度提高两倍，且塑性没有明显的下降[29]。数值模拟也证实，梯度晶粒会引起应力分布不均，从而起到强化作用[30]。
　　研究表明，除了晶粒尺寸连续分布的梯度组织外，具有双峰结构(粗晶+细晶)的混晶组织材料同样具备优异的力学性能[31]。其强韧化机理为：晶粒尺度的差异导致局部应变分布不均，进而引发背应力强化以及局部塑性变形强化[32， 33]。背应力的产生与几何必需位错(geometrically necessary dislocations，GND)有关。混晶组织局部应变不均匀会促进GND产生[34]。这些GND具有相同的伯氏矢量，在向晶界运动过程中会产生与其运动方向相反的长程背向应力，阻碍位错的运动。这样就需要更大的应力来驱动位错的运动，*终提升材料的加工硬化能力。例如，仿照贝壳多尺度结构，将奥氏体钢和马氏体钢轧制复合，设计出具有多级多尺度结构的层状等轴晶(奥氏体)+片状纳米晶(马氏体)的混晶组织[35]；对CoCrNi中熵合金进行冷轧及高温退火，通过局部再结晶构建出微米级(2～3μm)、亚微米级(250nm～1μm)和纳米级(<250nm)的多尺度晶粒结构[36]。这类材料通过背应力强化获得额外加工硬化能力，在室温及低温(液氮环境)下均展现出优异的强度与塑性。
　　除了宏观均匀分布的粗晶+细晶的混晶组织外，具有宏观或局部层状结构的混晶组织也表现出良好的强化效果。实际上，梯度组织可以看作广义的层状结构，即由无穷多晶粒尺度各异的薄层组合而成。例如，通过异步轧制的方式对纯Ti施加大变形后进行不完全再结晶退火。因变形不均，退火过程中变形量大的区域优先再结晶，*终形成局部纳米晶层-粗晶层的层状混晶组织[37]，其均匀变形能力甚至优于粗晶纯Ti。除背应力强化外，层间晶粒的相互约束也发挥了重要作用。通过在液氮环境中对纯Ti进