增强体与基体粉末尺寸协同效应对放电等离子烧结TiB/Ti-6Al-4V复合材料微观结构与力学性能的影响

　　本文系统研究了TiB2颗粒与Ti-6Al-4V粉末尺寸组合对放电等离子烧结（SPS）制备钛基复合材料（TMCs）的界面结构、晶粒细化及力学性能的协同调控机制，为航空航天领域高性能材料设计提供了重要理论依据。

　　

Section snippets

Materials and experimental procedures

采用平均粒径分别为10 μm和95 μm的球形Ti-6Al-4V粉末（纯度≥99.5%）以及平均尺寸为10 μm和100 μm的不规则形状TiB₂颗粒（纯度≥99.5%）作为原材料，分别购自长沙天久金属材料有限公司和上海斯泰纳纳米科技有限公司。图1展示了原始Ti-6Al-4V粉末和TiB₂颗粒的扫描电子显微镜（SEM）图像。可见Ti-6Al-4V粉末呈现标准球形 morphology，而TiB₂颗粒则呈现典型的多棱角不规则形态。

TiB/Ti matrix interfacial structure

图3展示了C_TiC_P、C_TiF_P、F_TiC_P和F_TiF_P样品在球磨和SPS烧结后的X射线衍射（XRD）结果。可见所有球磨后的预混合粉末中仅检测到α-Ti和TiB₂的衍射峰，而烧结样品中则出现了β-Ti和TiB的额外衍射峰，这归因于TiB₂颗粒与Ti基体之间的原位反应（Ti + TiB₂ = 2TiB）——该反应是制备TiB/Ti-6Al-4V复合材料的关键过程。

Conclusions

通过采用不同尺寸的TiB₂颗粒和Ti-6Al-4V粉末制备了TiB/Ti-6Al-4V复合材料，系统研究了双组分尺寸对界面结构、基体微观结构和力学性能的影响，主要结论如下：

（1）SPS过程中TiB₂颗粒与Ti基体的原位反应生成了TiB晶须，其与周围Ti基体呈现强界面结合。TiB晶须与相邻Ti基体之间形成半共格界面，且无孔隙、裂纹或缺陷；

（2）在α-Ti与β-Ti之间观察到一种独特的面心立方（FCC）结构界面L相，该相的形成源于钒（V）在α/β-Ti界面附近β-Ti中的偏析。使用更细Ti粉末的复合材料中L相厚度增加，这是由于氧抑制了V在α-Ti中的溶解度和在β-Ti中的扩散性；

（3）通过减小TiB₂或Ti粉末尺寸可实现Ti基体的微观结构细化。更细的Ti粉末通过晶粒细化、载荷传递和固溶强化显著提升抗拉强度，使极限抗拉强度（UTS）提高约11%。更细的TiB₂颗粒则通过增强热错配强化进一步改善强度性能。