因具有高比强度、高比模量、耐高温以及可变形加工等优异性能，颗粒增强钛基复合材料（PRTMCs）被认为是最具发展潜力的高性能结构工程材料，在航空航天、交通运输等关键装备轻量化方面具有广阔的应用前景。目前，PRTMCs中增强相的分布方式主要分为均匀分布和非均匀构型分布。对于前者而言，弥散分布的增强相粒子在强化基体的同时，导致位错运动的平均自由程减小，使得基体呈现出过高的硬化状态。另外还伴随着基体与增强相粒子因物性与结构差异而导致的形变失配，这一结构特点在基于弥散强化型金属基复合材料（MMCs）中容易造成应变硬化能力下降以及拉伸塑性变差，从而限制MMCs性能优势的充分发挥。

得益于自然灵感启发，以增强相非均匀构型分布为要素的设计理念成为目前突破MMCs强韧性倒置关系的重要途径。通过调控增强相空间分布特征，已相继提出了网状、叠层、多芯、梯度和微纳砖砌等典型的MMCs构型化设计方案。这些方案主要通过增强相非均匀构型在其周围引入基体塑性变形区，利用基体塑性变形来缓解裂纹尖端的应力集中，进而减小裂纹扩展的驱动力，实现裂纹偏转和钝化，从而达到其强韧性匹配的目的。

然而，目前增强相非均匀构型中界面结构多以单一异质界面为特点，并未从根本上改变陶瓷增强相与金属基体弹性模量的显著差异，使得即使在小变形量下，界面附近也会产生显著的应力集中，导致增强相及其界面容易成为裂纹源，不利于位错的钉扎和存储，从而削弱了材料的应变硬化能力。根据最新研究报道，在金属及合金材料中通过构建晶粒尺寸不同的基体晶区以形成基体晶区异构，利用粗/细晶间彼此塑性变形能力的差异激活异质变形诱导（HDI）硬化，是解决金属材料应变硬化能力不足，改善其强韧性倒置问题的有效措施。如能在MMCs设计中将增强相非均匀构型与基体晶区异构相结合，从而在增强相和基体塑性变形区之间形成有效的缓冲层，则有望在异质界面处激活HDI应力，为HDI硬化效应的发挥提供有利条件。理论上，现有MMCs的构型设计中在一定程度上也具有基体晶区异构的特征，但受非均匀构型制备工艺及其构型合理化程度的限制，基体晶区异构的特征并不显著，导致HDI硬化作用得不到有效发挥，从而使其对MMCs的应变硬化能力提升贡献极为有限。

在本文中西安理工大学科研团队以自主研发的球形钛基复合粉末为原料（ZL.201910528485.4、CN202210330545.3和US16/883, 657），巧妙利用粉末冶金过程中合金组元的互扩散反应，使TiBw基于球形复合粉末自组织形成球团状非均匀构型分布，并利用TiBw的钉扎作用在TC4基体中形成可调控的细晶区和粗晶区，从而原位构建出兼具增强相非均匀构型和基体晶区异构的新型双结构钛基复合材料，使材料变形阶段的异变诱导硬化和裂纹钝化效应得到充分发挥。研究结果表明，双结构TC4-TiBw复合材料的抗拉强度较TC4基体合金提升18.86%，而延伸率与基体合金保持相同水平，较均匀结构TC4-TiBw复合材料提升了230%，实现了均匀构型钛基复合材料中几乎无法实现的高强度-塑韧性的协同匹配。相关研究工作以“Loss-free Tensile Ductility of Dual-structure Titanium Composites via Interdiffusion and Self-organization Strategy”为题在国际顶级期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》上发表并取得了相关专利授权（ZL202011239448.0.、ZL202011450931.3.）。

论文链接：

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

该工作由西安理工大学联合西安建筑科技大学、大阪大学接合科学研究所、东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。西安理工大学刘磊博士生为第一作者，西安理工大学李树丰教授为论文第一通讯作者，西安建筑科技大学时朋朋教授为共同通讯作者。该工作获得国家重点研发计划项目、陕西省重点科技创新团队项目、国家自然科学基金项目和西安理工大学博士创新基金项目支持。

图1. 双结构TC4-TiBw复合材料的典型组织和力学性能

图2. 双结构TC4-TiBw复合材料的HDI硬化

图3. 基于互扩散自组织策略制备双结构TC4-TiBw复合材料的工艺示意图及设计概念。

本项工作证明了将增强相非均匀构型和基体晶区异质结构有机结合的设计对实现钛基复合材料强度和塑韧性协同匹配具有重要的理论意义和应用价值。文章报告了一种基于粉末冶金法通过合金元素互扩散和增强相自组织过程实现增强相呈三维球团非均匀构型的创新设计和制备策略。通过该策略，可在增强相和基体之间原位构建出具有两级晶粒结构的新型双结构钛基复合材料，可充分发挥复合材料在变形阶段的异变诱导硬化和裂纹钝化效应，实现均匀构型钛基复合材料中几乎无法实现的强度–塑韧性的协同匹配。研究结果为解决金属基复合材料强度和塑韧性倒置严重的难题提供了一种创新性解决方案。该方案有望广泛应用于其他金属材料和金属基复合材料在结构和功能性提升需求的设计和开发。