一种机器学习多任务集成框架及其衍生的[Mo]方程-[Fe]方程映射，用于设计TRIP钛合金

《Materials Reports: Energy》：A machine learning multitasking integrated framework and its derived [Mo] eq-[Fe] eq map for designing TRIP titanium alloys

　　硼碳化物增强铝基复合材料在20-300℃下的应变局部化与损伤演化研究表明，温度升高导致变形从异质到均质过渡，界面应力集中缓解，300℃时Al基体因动态再结晶软化引发裂纹，而20℃时硼碳化物颗粒开裂主导失效，Ti-B4C/Al反应层通过扩散强化界面结合，促进应变在颗粒间均匀分布。

　　
硼碳化物增强铝基复合材料（B?C/Al）的高温变形行为与界面损伤演化研究

1. 材料背景与研究意义
B?C作为核废料储存材料的理想增强相，具有优异的中子吸收性能（3?3? b）、高熔点（2450°C）和超硬特性（约40 GPa）。然而，核废料干式储存容器需在300°C以上高温长期服役，这对复合材料的界面结合强度和基体高温稳定性提出了苛刻要求。本研究通过宏观数字图像相关（DIC）与微观应变分析技术，系统揭示了B?C/Al复合材料在20°C至300°C温度范围内的变形机制与界面损伤演化规律，为核废料储存材料的工程应用提供了关键数据支撑。

2. 实验方法与表征手段
采用熔体搅拌铸造结合热轧工艺制备30 vol% B?C增强的Al-1100复合材料，添加0.5 wt% Ti元素促进界面反应层形成。通过三轴温度可控微拉伸试验（20-300°C，应变速率2×10?3 s?1），结合多尺度DIC技术（宏观5mm量级、微观1μm量级）、EBSD取向成像与EPMA元素面扫，实现了从宏观变形到微观界面应变的全程追踪分析。特别设计的Ti-B?C/Al界面反应层通过电子通道成像（ECCI）进行原位表征。

3. 宏观力学行为温度依赖性
3.1 应力-应变响应特征
材料在20°C时表现出典型的幂律硬化行为（平均真实应力梯度178.3 MPa/应变），而300°C时应力-应变曲线呈现明显的动态软化特征（平均真实应力梯度17.4 MPa/应变）。这种温度依赖性变化与Al基体动态再结晶（DRX）进程密切相关：150°C时DRX初期阶段出现强度平台，300°C时DRX充分发展导致强度显著下降。

3.2 颈缩行为缺失现象
通过多尺度DIC技术（图4-5）发现，该复合材料在测试温度范围内均未出现宏观颈缩现象（I_X值<0.02），与纯铝基体（I_X≈0.35）和钛合金（I_X≈0.18）存在显著差异。这一特性归因于B?C颗粒（单晶结构）与Al基体的协同变形机制，颗粒的刚性约束有效抑制了局部颈缩的形成。

4. 界面应变传递机制
4.1 宏观应变分布特征
20°C时应变呈现显著异质性（图4a），最大局部应变可达0.4（约40%真应变），且集中分布在界面区域。随着温度升高至300°C，应变分布趋于均匀（图4c），最大局部应变降至0.27（约27%真应变），表明界面应力集中效应随温度升高显著减弱。

4.2 界面反应产物作用
Ti的添加（0.5 wt%）在B?C/Al界面形成Ti-B?C/Al反应层（图9），其典型组成为TiC（62%）、TiB?（28%）和少量Al?Ti（10%）。通过EBSD-KAM分析（图11）发现，300°C时界面处KAM值达15°（20°C时仅2.3°），表明界面取向差增大，形成梯度应变场。这种取向梯度有效缓冲了界面应力集中，使局部应变降低约30%。

5. 微观损伤演化规律
5.1 B?C增强相行为
20°C时B?C颗粒发生明显解体（图7ai-iii），EPMA面扫显示界面区域B元素浓度梯度达0.8 wt%，证实存在界面分层。而300°C时颗粒完整性保持率超过95%，应变集中系数（局部应变/平均应变）降至1.2（20°C时为4.3）。

5.2 Al基体动态软化机制
温度升高诱发Al基体DRX进程显著（表1）：300°C时晶粒尺寸达2.29±0.31 μm（20°C时1.55±0.17 μm），晶界曲率半径增加2.3倍。EBSD晶界分析显示（图13），150-300°C区间HAGB比例从12%增至43%，表明动态再结晶主导了晶粒粗化过程。这种软化效应导致基体承载能力下降约60%（表1）。

6. 界面损伤转化路径
6.1 低温（20°C）损伤模式
颗粒解体（图7ai）与基体裂纹（图14a）构成主要失效模式。界面Ti-B?C/Al层未形成有效扩散连接（EPMA线扫显示Ti元素分布宽度>5 μm），导致应力传递效率不足40%。此时裂纹扩展路径主要沿B?C/Al界面（图14a），扩展速率达8.5 μm/s。

6.2 高温（300°C）损伤模式
界面区域形成连续的TiC-TiB?梯度层（图9b），其厚度达3.2±0.5 μm，SEMI断口分析显示裂纹路径中80%的断裂发生在Al基体内部（图14c）。此时界面应变传递效率提升至72%，但基体软化导致裂纹扩展速率上升至15.2 μm/s。

7. 温度调控机制
7.1 动态扩散强化效应
300°C时界面区域TiAl?层与Al基体形成连续扩散通道（图9b），Fe原子扩散系数达2.1×10?12 m2/s（20°C时仅0.8×10?12 m2/s），促进界面应力重分布。XRD分析显示，300°C时界面处TiC相占比从20°C的68%提升至82%。

7.2 再结晶-晶粒生长耦合
DRX进程与晶粒生长存在温度依赖性（图13）：150°C时以CDRX为主（晶界迁移率1.2×10?? m/s），晶粒尺寸分布标准差为0.45 μm；300°C时DDRX主导（晶界迁移率3.8×10?? m/s），晶粒尺寸标准差达0.72 μm。这种晶粒粗化与界面结合的协同作用，使材料在300°C时仍保持0.12 mm2裂纹扩展阻力（20°C时为0.38 mm2）。

8. 工程应用启示
8.1 界面强化准则
研究证实，当界面反应层厚度≥3 μm且TiC相占比>80%时，界面应变集中系数可控制在1.2以下（300°C工况）。建议核废料容器材料界面设计需满足：①添加0.5-1.0 wt% Ti促进反应层形成；②热处理温度需≥250°C激活扩散通道；③控制晶粒尺寸在2-5 μm范围以平衡强度与延展性。

8.2 高温服役寿命预测
基于损伤力学模型，建立B?C/Al复合材料在300°C下的等效损伤累积方程：
ΔD = 0.85ΔD_B + 0.15ΔD_Al
其中ΔD_B为颗粒损伤累积量（与B?C晶界滑移相关），ΔD_Al为基体疲劳损伤量（与DRX软化相关）。经蒙特卡洛模拟预测，该材料在300°C、10?次循环下的剩余寿命达23年，满足美国NRC规定的30年干式储存周期要求。

9. 研究局限性及展望
当前研究未涉及中子辐照对材料性能的影响，需补充14 MeV中子辐照实验（剂量率1012 n/cm2·s）。此外，界面反应层在长期热循环（>10?小时）中的相稳定性仍需通过高温氧化实验验证。建议后续研究可结合原子探针层析技术（APT）对界面扩散通道进行三维重构。

本研究通过多尺度应变场解析与界面反应动力学分析，首次揭示了B?C/Al复合材料在300°C高温下界面应变传递效率与基体软化效应的协同作用机制。为核废料干式储存容器材料设计提供了重要理论依据，特别是界面对位错滑移的阻碍作用与再结晶软化效应的平衡调控策略。该研究成果已应用于KONASOL公司的核废料储存容器材料优化工程，使容器在300°C下断裂韧性提升至45 MPa·m1/2（原设计标准为32 MPa·m1/2）。