在當(dāng)今材料科學(xué)與工程領(lǐng)域，鈦及其合金因其 卓越的綜合性能，包括高比強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕 性、良好的生物相容性以及在極端環(huán)境下的穩(wěn)定性 等，成為航空航天、海洋工程、生物醫(yī)療、能源以及 化工等眾多高科技領(lǐng)域的關(guān)鍵材料[1]。然而，單一 的鈦或鈦合金在某些特定應(yīng)用中仍存在性能局限， 如耐磨性、熱穩(wěn)定性或成本效益等方面的挑戰(zhàn)[2]， 這促使科研人員不斷探索利用復(fù)合材料技術(shù)進(jìn)一 步提升鈦基材料綜合性能的可能。

鈦基復(fù)合材料是材料科學(xué)研究的重要方向之 一。通過將陶瓷顆粒、碳納米管、石墨烯等第二相 增強(qiáng)體引入鈦或鈦合金基體，旨在將基體材料良好 的韌性、延展性與增強(qiáng)體的高強(qiáng)度、高模量或特殊 功能特性相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)性能的跨越式提升[3]。 這種復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和制備，不僅突破了單一材料 的限制，也為滿足未來高性能應(yīng)用的需求提供新的 可能性[4]。在航空航天領(lǐng)域，鈦基復(fù)合材料的低密 度和高強(qiáng)度特性，有助于減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，同時(shí)保持 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而提高燃料效率和飛行性能[5]。此 外，鈦基復(fù)合材料在高溫環(huán)境下展現(xiàn)出的穩(wěn)定性和 抗氧化性，使其成為發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、燃燒室等高溫部件的理想選擇[6]。

在生物醫(yī)用植入領(lǐng)域，鈦合金因其出色的生物 相容性和耐腐蝕性，已被廣泛應(yīng)用于骨科植入物。 鈦基復(fù)合材料進(jìn)一步發(fā)展，尤其是通過加入生物活 性陶瓷，可以顯著提升植入物的骨整合能力和長(zhǎng)期 穩(wěn)定性[7]。在海洋工程和化工設(shè)備等腐蝕性環(huán)境 中，通過復(fù)合陶瓷等材料，鈦基復(fù)合材料的耐腐蝕 性能得到顯著增強(qiáng)，滿足了這些領(lǐng)域?qū)Σ牧夏透�蝕 性的高要求[8]。有些含有導(dǎo)電或磁性增強(qiáng)體的鈦 基復(fù)合材料，因其優(yōu)異的電磁屏蔽和吸收能力，在 電子設(shè)備屏蔽和軍事隱身技術(shù)中展現(xiàn)出巨大的應(yīng) 用潛力[9]。此外，鈦基復(fù)合材料在熱管理領(lǐng)域也顯 示出優(yōu)勢(shì)。通過優(yōu)化其微觀結(jié)構(gòu)，這些材料能夠?qū)?現(xiàn)高效的熱傳導(dǎo)和熱擴(kuò)散，適用于需要快速散熱的 高性能電子設(shè)備和激光系統(tǒng)[10]。

近年來，隨著納米科技、粉末冶金、新型合成方 法以及材料表征技術(shù)的飛速發(fā)展，鈦/鈦合金復(fù)合 材料的研究取得顯著進(jìn)展。從增強(qiáng)體的選擇與分 散均勻性優(yōu)化，到復(fù)合材料的界面設(shè)計(jì)與控制，再 到復(fù)合材料成形加工技術(shù)的創(chuàng)新，每一環(huán)節(jié)的進(jìn)步 都為實(shí)現(xiàn)材料性能的精準(zhǔn)調(diào)控和功能集成開辟了 新途徑[11]。此外，對(duì)復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)與性能之間 關(guān)系的深入理解，以及環(huán)境友好型和成本效益高的 制備工藝的探索，也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

本文旨在全面回顧并分析鈦/鈦合金復(fù)合材料 的最新研究進(jìn)展，探討其在不同應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)、 存在的問題與挑戰(zhàn)、以及未來的研究趨勢(shì)。通過對(duì) 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果的系統(tǒng)梳理，將重點(diǎn)概括復(fù)合 材料性能研究現(xiàn)狀，特別是在提高材料的力學(xué)性 能、耐磨耐蝕性以及熱穩(wěn)定性等方面的最新成果。 同時(shí)，對(duì)先進(jìn)技術(shù)制備鈦基復(fù)合材料領(lǐng)域的現(xiàn)狀、 復(fù)合材料加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及鈦基復(fù)合材料制 備及加工過程存在的問題進(jìn)行歸納總結(jié)，也指出鈦 基復(fù)合材料制備及加工技術(shù)在未來發(fā)展的趨勢(shì)與 展望，包括但不限于增材制造技術(shù)的發(fā)展、輔助技 術(shù)的更新、表面納米化技術(shù)、數(shù)字化仿真技術(shù)以及 二者相結(jié)合等方面，以期為該領(lǐng)域后續(xù)的科學(xué)研究 和 技術(shù)革新提供參考與啟示。

1、鈦合金及復(fù)合材料的基本特性

1.1 鈦合金的物理和化學(xué)特性

鈦合金作為 20 世紀(jì) 50 年代起迅速崛起的先 進(jìn)結(jié)構(gòu)材料，憑借其獨(dú)特的物理和化學(xué)性能，在航 空航天、生物醫(yī)學(xué)、化工等多個(gè)尖端領(lǐng)域展現(xiàn)出廣 泛的應(yīng)用潛力。物理特性方面，鈦合金顯著的特點(diǎn) 在于其非凡的力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度范圍在 686～1176 MPa，極端情況下可攀升至 1764 MPa，此強(qiáng)度 超過了一些高強(qiáng)鋼，且密度僅為鋼的 60% 左右，約 為 4.54 g/cm3，較鋼輕盈很多，密度在鋁的 2 倍與鎂 的 5 倍之間。此外，鈦合金展現(xiàn)出卓越的高溫耐受 力，熔點(diǎn)高達(dá) 1942 K，遠(yuǎn)超黃金近 1000 K，較 Fe 亦 高出近 500 K，其中 TC21 鈦合金能在 500 ℃ 以下 環(huán)境持續(xù)工作，表現(xiàn)出優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。盡管其硬 度高，加工難度大，氮化鈦硬化處理能有效增強(qiáng)其 耐磨性與硬度。低彈性模量賦予了鈦合金良好的 柔韌性，在特定應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)明顯�；瘜W(xué)特性上，鈦 合金表現(xiàn)活躍，尤其在常溫條件下與氧氣快速形成 一層致密、結(jié)合力強(qiáng)且高度穩(wěn)定的氧化膜，有效防 護(hù)本體免受腐蝕侵害。這一特性加之其廣泛的耐 腐蝕能力，即使是面對(duì)多種酸堿介質(zhì)及鹽類侵蝕， 鈦 合金依然能保持良好的穩(wěn)定狀態(tài)。

1.2 復(fù)合材料性能的研究

鈦基復(fù)合材料（titanium matrix composites，TMCs） 通過集成基體鈦合金的高強(qiáng)塑性與增強(qiáng)體的高模 量特性，超越了單一鈦合金的性能界限。與傳統(tǒng)鈦 合金相比，TMCs 不僅展現(xiàn)出卓越的強(qiáng)度與塑性， 還兼具顯著的耐磨性能。通過結(jié)合鈦合金本體優(yōu) 異的延展性與增強(qiáng)相的高硬度與抗磨損性能，成就 了一種新型材料體系，不僅在強(qiáng)度與韌性上有所增進(jìn)，更是在耐磨性方面體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)[12-13]。因 此，增強(qiáng)相是影響復(fù)合材料性能的主要因素。現(xiàn)有研究中的增強(qiáng)相主要包含：SiC、Al2O3、TiC、石墨 烯、碳納米管和 TiB 等[14]。

由于應(yīng)用環(huán)境的限制，針對(duì)復(fù)合材料的研究以 力學(xué)性能和耐磨性能為主。在鈦基材料中引入增 強(qiáng)相，不僅是由于增強(qiáng)相自身優(yōu)異的性能，更主要 的是外來相細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用是提升材料 力學(xué)性能基礎(chǔ)。Pan 等[15] 使用納米超細(xì) TiB 晶作 為增強(qiáng)相，采用選取激光熔化技術(shù)（SLM 技術(shù)）制備的鈦 基復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度為 851 MPa，伸長(zhǎng)率為 10.2%。 基于 Ti 和 BN 原位反應(yīng)，該過程生產(chǎn)的納米 TiB晶疊加 α 鈦得到的復(fù)合材料硬度達(dá) 10.4 GPa，彈性 模量達(dá)165 GPa，性能同比分別提升304% 和170%[16]。圖 1 為欽蘭云等在 TC4 粉末中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù) 的 TiB2 粉末后材料的微觀組織和 α 片層尺寸分析 結(jié)果[17]。由圖可見，隨著增強(qiáng)相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加， 復(fù)合材料中晶粒細(xì)化、α 片層尺寸明顯減小。同 時(shí)，隨著增強(qiáng)相添加量的增加，增強(qiáng)相出現(xiàn)成簇和 聯(lián)結(jié)生長(zhǎng)的現(xiàn)象，抗拉強(qiáng)度、顯微硬度和屈服強(qiáng)度 均明顯提升。

Xiong 等[18] 在 TA15 鈦合金中引入 0.5%～2.0%的 Ti3AlC2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）增強(qiáng)相改善合金性能， 結(jié)果表明經(jīng) LEBM 處理后形成 Ti3AlC2/TiC 增強(qiáng)相 三維網(wǎng)絡(luò)，1.0%Ti3AlC2/TA15 復(fù)合材料的拉伸屈服 強(qiáng)度達(dá) 958 MPa、伸長(zhǎng)率為 8.56%、顯微硬度達(dá)369.7HV、壓縮屈服強(qiáng)度為 1271 MPa，展現(xiàn)出優(yōu)異 的力學(xué)性能與耐磨性。Markovsky 等[19] 使用氫化 鈦的混合元素粉末冶金技術(shù)制備了 TiC 顆粒增強(qiáng) 的 Ti-6Al-4V 金屬基復(fù)合材料。TiC 與基體發(fā)生化 學(xué)反應(yīng)，形成牢固的界面結(jié)合，并且能夠形成TiC 和 TiAlC 的硬質(zhì)化合物，使復(fù)合材料的硬度提 高 40% 以上。王振玲等[20] 利用真空感應(yīng)懸浮熔煉 爐制備了（TiC+TiB）/ Ti-6Al-4Sn-8Zr-0.8Mo-1.5Nb1W-0.25Si復(fù)合材料，增強(qiáng)體占比分別為 0%、2%、4%（體積比）。復(fù)合材料中隨著增強(qiáng)體數(shù)量增加，α-Ti 長(zhǎng)徑比顯著減小，β-Ti 晶粒細(xì)化。在 650～700 ℃ 范圍內(nèi)鈦基復(fù)合材料強(qiáng)度顯著提高，2% 增強(qiáng)體復(fù) 合材料在 650 ℃ 強(qiáng)化效果最優(yōu)，4% 增強(qiáng)體復(fù)合材 料在700℃ 強(qiáng)化效果最優(yōu)。當(dāng)溫度超過 700 ℃ 后， 增強(qiáng)體強(qiáng)化效果減弱，復(fù)合材料塑性總體較低。

Wei 等[21] 按照石墨烯與碳納米管 5∶1 的比 例，采用熱壓燒結(jié)法制備的鈦基復(fù)合材料強(qiáng)度和硬 度分別達(dá) 1387.1 MPa 和 771.5HV，相對(duì)純鈦基體性 能分別提升 745 MPa 和 150%。Hu[22] 和 Liu[23] 對(duì) 引入氧化石墨烯的鈦基復(fù)合材料的性能研究發(fā)現(xiàn)， 復(fù)合材料的楊氏模量、維氏硬度和屈服強(qiáng)度較基體 均有不同程度的提升，但是過量的氧化石墨烯則導(dǎo) 致屈服強(qiáng)度降低。神祥博[24] 對(duì)制備 TiB/Ti 復(fù)合材 料研究發(fā)現(xiàn)，隨著增強(qiáng)相含量提升，復(fù)合材料的硬 度不斷增大，但是抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增后減的變化 趨勢(shì)，同時(shí)隨著燒結(jié)溫度的提升，伸長(zhǎng)率亦呈現(xiàn)下 降趨勢(shì)。不難發(fā)現(xiàn)，雖然增強(qiáng)相可以有效提升復(fù)合 材料的硬度與強(qiáng)度，但是可能會(huì)導(dǎo)致塑性不合的問 題產(chǎn)生。因此，如何有效維持新材料的強(qiáng)度和韌性 平衡是設(shè)計(jì)材料的新思路。Huang 等[25] 通過控制 增強(qiáng)相的分布同步提升了鈦基復(fù)合材料的強(qiáng)度和 韌性。圖 2[26] 為復(fù)合材料增強(qiáng)相分布控制示意 圖。圖中存在增強(qiáng)相富集區(qū)和貧瘠區(qū)，其中增強(qiáng)相 富集區(qū)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的發(fā)生，進(jìn)一步提高強(qiáng)度，而 貧瘠區(qū)則為位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和增殖提供足夠的空間，從 而增強(qiáng)韌性。另外，也有部分研究認(rèn)為不同種類的 增強(qiáng)相結(jié)合更易平衡鈦基復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性[27]。

鐘亮等[2] 對(duì)鈦基復(fù)合材料耐磨性研究進(jìn)展進(jìn) 行了較為完整的綜述，主要包含復(fù)合材料耐磨性表 征方法和摩擦磨損行為，同時(shí)也闡述了高耐磨復(fù)合 材料的設(shè)計(jì)和表面耐磨改性技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容。一 般認(rèn)為，復(fù)合材料的自身耐磨性與其表面所受的剪 切力相關(guān)，在載荷相同的條件下，表面剪切力與摩 擦 因 數(shù) 呈 正 相 關(guān) 。 Cai 等[28] 以 TiB 為 增 強(qiáng) 相 、TC4 為基體形成的復(fù)合材料摩擦因數(shù)隨著 TiB 含 量的增加而降低，當(dāng)加入增強(qiáng)相為 8%TiB（質(zhì)量分 數(shù) ） 時(shí) ， 復(fù) 合 材 料 的 摩 擦 因 數(shù) 相 對(duì) 基 體 下 降33.8%。Zhang 等[29] 將 Ti3AlC 與 TA15 復(fù)合后，在200 r/min 轉(zhuǎn)速和 15N 載荷的條件下，復(fù)合材料的 磨損率為 3.98×10–7 mm3/（N.m），相對(duì)基體磨損率 降低了 20%。圖 3 為 Bai 等[30] 制備出 TiC/TC4 多 孔蜂窩狀復(fù)合材料，蜂窩主要是由于 TiC 相包裹 Ti64基體形成，TiC 界面處的納米硬度為 12.4 GPa，磨 損率較基體降低 28%。Gürbüz 等[31] 采用 0.15% 的 石墨烯復(fù)合制備鈦基復(fù)合材料，在 10 N 載荷下磨 損速率為 2.86×10–5 mm3/（N.m），磨損量較小。

除了提升復(fù)合材料自身的耐磨性，通過表面處 理技術(shù)優(yōu)化 TMCs 的耐磨性能也被廣泛研究[32]。 黃雪麗等[33] 運(yùn)用電弧離子鍍膜工藝，在鈦合金外 表制備了一層 TiN/CrN 納米多層薄膜，其硬度達(dá) 到 24 GPa，且該納米多層薄膜與基底的黏合強(qiáng)度極 為牢固。同時(shí)以 Al2O3 為研磨球進(jìn)行平板摩擦磨 損測(cè)試時(shí)，觀察到 TiN/CrN 薄膜的磨損量?jī)H為3.44×10–7 mm3/（N.m）。劉元才等[34] 采用微弧氧 化技術(shù)對(duì) TB8 進(jìn)行表面改性處理，其耐磨性隨著電 解液中 BN 含量增加而提升。目前，在耐磨 TMCs的成型制備方面，增材制造技術(shù)和先進(jìn)噴射成型技 術(shù)已進(jìn)入廣大研究者的視野，激光熔覆沉積技術(shù)即 是最先進(jìn)的技術(shù)之一[3]�，F(xiàn)階段，無論是提高鈦基 復(fù)合材料的耐磨性還是對(duì)其表面改性處理，多數(shù)研 究都集中在室溫耐磨性能上，而隨著鈦基復(fù)合材料 大量應(yīng)用到航空航天和基地航海領(lǐng)域，極限溫度下 鈦基復(fù)合材料的耐磨性、耐蝕性和力學(xué)性能是未來 主要關(guān)注的方向之一。

隨著鈦合金材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)方面的應(yīng)用，必 須考慮其零部件存在鈦火風(fēng)險(xiǎn)[35]，這就要求鈦合金 材料熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性相互匹配。為了滿足600 ℃ 以上鈦合金材料的性能要求，在鈦基體中引 入增強(qiáng)相，使得復(fù)合材料硬度、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng) 度顯著增強(qiáng)。為了滿足高溫鈦合金所需的熱穩(wěn)定 性，國(guó)內(nèi)主要通過添加稀土元素的方法來提升材料 的熱穩(wěn)定性，其原理為：稀土元素與合金中 S 等反 應(yīng)，其反應(yīng)產(chǎn)物在晶界析出，該產(chǎn)物還與合金中的 氧反應(yīng)，二次反應(yīng)產(chǎn)物稀土氧化物可細(xì)化晶粒，不 僅可以凈化基體，抑制位錯(cuò)產(chǎn)生，還能提升材料的 熱穩(wěn)定性[36]。通過向 Ti600 與鈦基復(fù)合材料中添 加稀土 Y，丁超等[37] 發(fā)現(xiàn)合金和鈦基復(fù)合材料的 熱穩(wěn)定性均提高。鈦基復(fù)合材材料熱穩(wěn)定性研究 較少，面對(duì)鈦基復(fù)合材料在航空領(lǐng)域進(jìn)一步推廣， 使用增材制造技術(shù)促進(jìn)稀土元素對(duì)復(fù)合材料熱穩(wěn) 定性影響研究是改善鈦基復(fù)合材料綜合力學(xué)性能 的方向。

2、先進(jìn)技術(shù)在鈦基復(fù)合材料中的應(yīng)用

2.1 粉末冶金技術(shù)

粉末冶金技術(shù)作為一種高效、靈活的材料制備 方法，在鈦基復(fù)合材料的制備中扮演著至關(guān)重要的 角色。該技術(shù)通過精確控制粉末的混合、成形和燒 結(jié)過程，不僅實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)體與鈦基體的均勻分散， 還顯著提升了材料的力學(xué)性能和高溫穩(wěn)定性。

在鈦基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和強(qiáng)度提 升方面，專家學(xué)者不僅探索了多種類型的增強(qiáng)體， 包括碳化物、硼化物、硅化物等陶瓷顆粒，并調(diào)整 增強(qiáng)體的粒徑、形態(tài)和含量，以提高材料的高溫性 能和強(qiáng)度[2]，而且通過界面工程的策略，如控制燒結(jié)氣氛和添加中間相，顯著提升了增強(qiáng)體與鈦基體 之間的界面結(jié)合強(qiáng)度[38]。此外，采用放電等離子燒 結(jié)（SPS）、機(jī)械合金化（MA）等創(chuàng)新工藝，能進(jìn)一步 提高材料的致密化程度和增強(qiáng)體的均勻分散。

近年來研究表明，粉末冶金技術(shù)在鈦基復(fù)合材 料的制備中不斷取得突破。黃陸軍等[39] 采用粉末 冶金技術(shù)成功制備具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的鈦基復(fù)合材料， 顯著提高材料在 600～800 ℃ 高溫下的強(qiáng)度、抗氧 化和抗蠕變性能。此外，北京科技大學(xué)新材料技術(shù) 研究院在顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的制備工藝及力 學(xué)性能方面也取得了顯著成果，通過優(yōu)化粉末冶金 工藝，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料性能的進(jìn)一步提升[40]。盡管 粉末冶金技術(shù)在鈦基復(fù)合材料的制備中展現(xiàn)出巨 大的優(yōu)勢(shì)和潛力，但仍面臨一些挑戰(zhàn)和問題。例 如，增強(qiáng)體與鈦基體之間的界面反應(yīng)控制、成本效 益分析以及環(huán)境友好型發(fā)展等方面仍需進(jìn)一步研 究 和改進(jìn)。

2.2 增材制造技術(shù)

3D打印技術(shù) ， 又稱為增材制造 （additive manufacturing，AM），是一種從無到有、依據(jù)分層累 加原理的現(xiàn)代制造方法。此技術(shù)依托諸如激光、電 子束及電弧放電等能量傳遞手段[41]，選用包括金 屬、陶瓷材料、聚合物以及新型工程材料在內(nèi)的廣 泛原料，通過材料的熱熔化及逐層疊加，高效構(gòu)建 實(shí)體結(jié)構(gòu)。增材制造技術(shù)的一大革新點(diǎn)在于，其無 需依賴傳統(tǒng)模具，能夠自由塑造高度復(fù)雜的結(jié)構(gòu)， 提供廣闊的設(shè)計(jì)空間與提升材料的使用效率，正積 極推動(dòng)航空航天工業(yè)制造領(lǐng)域的變革趨勢(shì)[42]。

增材制造技術(shù)依據(jù)熱源類型大致分為 3 類：激 光增材制造（LAM）[43]、電子束增材制造（EBAM）[44]和電弧增材制造（WAAM）[45]。與電子束增材制造 相比，激光增材制造不需要真空環(huán)境，并且在包層、 修復(fù)、再生和添加劑制造方面具有廣泛的適用性[46]。 與電弧增材制造相比，激光增材制造具有高定位精 度和高分辨率的優(yōu)勢(shì)[47]。因此，其成為一種很有前 途和流行的增材制造技術(shù)，用于生產(chǎn)包括 TMCs 在 內(nèi)的金屬基復(fù)合材料。激光增材制造（LAM）分為 激 光 熔 融 沉 積 法 （LMD） 和 選 區(qū) 激 光 熔 化 法 （SLM）。采用增材制造方法生產(chǎn)鈦基復(fù)合材料，其 性能均與增強(qiáng)相的種類、增材制造工藝參數(shù)和粉末 參數(shù)有關(guān)。Liu 等[48] 利用波長(zhǎng)為 1064 nm 的連續(xù) 波光纖激光器，揭示激光熔融沉積中激光功率對(duì)10% 體積分?jǐn)?shù)的 TiC 和 TC4 復(fù)合材料顯微結(jié)構(gòu)的 影響，見圖 4。結(jié)果表明，優(yōu)化后的激光功率可以 有效避免樹突狀 TiC 和缺陷的形成。在探索最低 能量密度條件下，提高粉末進(jìn)料速率，以增加層 高。Liu 等[49] 通過激光熔融沉積制備體積分?jǐn)?shù)5%～15%TiC 的 TiC/TA15 復(fù)合材料。結(jié)果表明，5% TiC 的抗拉強(qiáng)度最高，而 10% 和 15% TiC 降低 了復(fù)合材料的抗拉性能，甚至比 TA15 基體更差。

Zhou 等[50] 和 Zhao 等[51] 對(duì) SLM 制備的鈦/鈦 復(fù)合材料和純鈦進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)以評(píng)價(jià)它們的耐腐 蝕性能。氮化鈦?zhàn)鳛槲㈥帢O加速陽極反應(yīng)，Ti 消耗 有助于維持鈍化狀態(tài)。因此，TiN/Ti 復(fù)合材料的腐 蝕電流密度隨腐蝕潛力的降低速率要快于純 Ti，見圖 5[50]。隨著二氧化鈦薄膜和不溶性產(chǎn)物的積累， 它們將基質(zhì)從溶液中分離出來，從而抑制了鈦基質(zhì) 的進(jìn)一步溶解，最終在一定程度上減緩了腐蝕過 程。Li 等[52] 采用 SLM 制備（TiB + TiN）/Ti 復(fù)合 材料，研究發(fā)現(xiàn)納米 TiB 棒和納米氮化鈦顆粒被沉 淀并團(tuán)聚形成團(tuán)簇。與（TiB + TiC）雜化增強(qiáng)體一 樣，這些納米（TiB +氮化鈦）沉淀物促進(jìn)了 Ti 晶粒的 細(xì)化，并通過分散強(qiáng)化增強(qiáng)了復(fù)合材料的力學(xué)性能。

雖然利用LAM技術(shù)制造TMCs在技術(shù)改進(jìn)、 參 數(shù) 控 制 和 優(yōu) 化 方 面 進(jìn) 行 了 豐 富 的 研 究 ， 但LAM 引入的一些內(nèi)在問題也成為限制材料進(jìn)一步 改進(jìn)和增強(qiáng)的瓶頸。在 LAM 過程中，由于熔池中 的高溫/應(yīng)力梯度、對(duì)流、低熔點(diǎn)元素的蒸發(fā)、梯度 表面張力[53-54] 等復(fù)雜因素，很容易誘發(fā)孔隙、裂紋 和不可控的微觀結(jié)構(gòu)。另外，熱處理、超聲處理和 電磁處理等已被證實(shí)可有效改善這些問題。同時(shí)， 模擬研究可以為推進(jìn)這一領(lǐng)域的探索提供指導(dǎo)，幫 助人們更深入地了解復(fù)雜的多尺度熱力學(xué)演化的 行為[4]。未來的研究方向包括開發(fā)新的增材制造 技術(shù)、優(yōu)化工藝參數(shù)、提高材料的綜合性能，并解 決現(xiàn)有的技術(shù)難題[55] 。

2.3 表面納米化技術(shù)與數(shù)字化仿真技術(shù)的結(jié)合

表面納米化技術(shù)通過在材料表面形成納米尺 度的微觀結(jié)構(gòu)，可以顯著提高材料的綜合性能。研 究表明鈦及鈦合金的表面自納米化可以賦予其優(yōu) 異的強(qiáng)度 、硬度 、耐磨性以及耐蝕性和疲勞性 能[56]。此外，表面納米化還可以通過細(xì)化晶粒、促 進(jìn)薄膜形核等方式顯著提高材料的力學(xué)性能[57]。

數(shù)字化仿真技術(shù)通過計(jì)算機(jī)模擬和數(shù)值分析， 可以預(yù)測(cè)和優(yōu)化材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能。例如，利用ProDesign 等軟件進(jìn)行多晶體材料和復(fù)合材料的 數(shù)字化仿真與數(shù)值化模擬，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料微觀組 織結(jié)構(gòu)的精確控制[58]。這種技術(shù)不僅可以優(yōu)化材料的設(shè)計(jì)，還可以指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)工藝，提高材料性能的可控性和可靠性。

將表面納米化技術(shù)與數(shù)字化仿真技術(shù)結(jié)合可 以進(jìn)一步提升鈦基復(fù)合材料的性能。通過數(shù)字化 仿真技術(shù)，可以在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)和優(yōu)化表面納米化后的材料性能，從而在實(shí)驗(yàn)中更有效地制備出具有 高強(qiáng)度、高耐磨性和優(yōu)異耐蝕性的鈦基復(fù)合材料[59]。 此外，數(shù)字化仿真還可以幫助研究者理解材料的界 面反應(yīng)、界面結(jié)構(gòu)和微觀構(gòu)型等關(guān)鍵因素對(duì)材料性 能的影響規(guī)律[60]。

在實(shí)際應(yīng)用中，表面納米化技術(shù)和數(shù)字化仿真 技術(shù)的結(jié)合可以為鈦基復(fù)合材料在航空航天、國(guó)防 工業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域提供更高的性能保障。石墨烯增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料由于其高比強(qiáng)度、低密度和優(yōu) 異的耐蝕性，被廣泛應(yīng)用于這些領(lǐng)域[38]。通過數(shù)字 化仿真技術(shù)，可以進(jìn)一步優(yōu)化這些材料的設(shè)計(jì)和制 備工藝，確保其在實(shí)際應(yīng)用中的性能達(dá)到預(yù)期目 標(biāo)[61]。表面納米化技術(shù)和數(shù)字化仿真技術(shù)在鈦基 復(fù)合材料方面的研究不僅可以顯著提高材料的綜 合性能，還可以通過精確的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，推動(dòng)鈦基 復(fù)合材料在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

2.4 顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的加工技術(shù)

顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料作為一種重要的戰(zhàn)略 性結(jié)構(gòu)材料，因其高比強(qiáng)度、輕量化、耐熱穩(wěn)定性 以及耐磨蠕變性能而在航空航天、空間技術(shù)和軍事 裝備等高科技領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而， 其固有的加工難度大、室溫塑性差等特性對(duì)實(shí)現(xiàn)高 精度加工提出了挑戰(zhàn)。韓遠(yuǎn)飛等[62] 綜述了顆粒增 強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的傳統(tǒng)熱加工與特殊加工技術(shù)進(jìn)展，特別是熱加工、置氫加工、超塑性加工、激光制造等的機(jī)制與性能，展望了材料加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

傳統(tǒng)熱加工，如鍛造、擠壓、軋制等是基本方式，但需嚴(yán)格控制參數(shù)以適應(yīng)窄窗口和增強(qiáng)體影 響。呂維潔等[63]發(fā)現(xiàn)鍛造使得（TiB+TiC/Ti10）復(fù)合材料晶粒細(xì)化和性能提升，并且使得復(fù)合材料的 伸長(zhǎng)率翻番。熱擠壓同樣重要，如Wei 等[64] 采用 累積疊軋加工 TiBw/Ti6A4 V 復(fù)合材料，使得其伸 長(zhǎng)率顯著提升。王敏等[65]對(duì)連續(xù) SiC 纖維增強(qiáng)鈦 基復(fù)合材料實(shí)施大塑性變形加工，使其組織發(fā)生動(dòng) 態(tài)再結(jié)晶。

在特殊加工領(lǐng)域，增材制造和超塑性變形是兩 種重要的技術(shù)[66]。韓遠(yuǎn)飛等[62] 強(qiáng)調(diào)了 TiBw/ Ti6V的超塑性變形、熱圖以及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制。這些技 術(shù)通過細(xì)化晶粒和提高材料的強(qiáng)韌性，從而改善材 料的整體性能。置氫加工則是一種通過氫摻入鈦合金中以改善其加工性和增材性能的方法。黃浩[67]討論了氫輔助熱變形的效果，指出這種方法可以細(xì) 化柱狀晶并降低變形抗力，從而改善切削加工性。 此外，超聲波檢測(cè)技術(shù)也在復(fù)合材料質(zhì)量保證中發(fā) 揮著重要作用，該技術(shù)可以分為反射法和穿透法， 能夠有效檢測(cè)復(fù)合材料中的缺陷和質(zhì)量問題。其 他技術(shù)如水射流、電火花等[68] 雖然存在局限，但仍 需關(guān)注，因?yàn)樗鼈冊(cè)谀承┨囟☉?yīng)用場(chǎng)景中可能具有 獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

等溫變形技術(shù)也在材料加工中得到廣泛應(yīng) 用。此外，文獻(xiàn)中還研究了等溫變形 TiBw/Ti4V，進(jìn) 一步細(xì)化晶粒并提高材料的性能。呂維潔[63] 通過 熱圖技術(shù)分析了 TiB+Ti-10 的熱加工過程，并指導(dǎo) 工藝參數(shù)的優(yōu)化，這對(duì)于提高材料加工效率和最終 性能至關(guān)重要。未來，提高材料利用率、降低能 耗、多工藝結(jié)合、發(fā)展近凈成形技術(shù)、深入分析加 工技術(shù)、創(chuàng)新塑性變形工藝等是重點(diǎn)考慮的方向[62] 。

3、現(xiàn)存問題與挑戰(zhàn)

3.1 鈦基復(fù)合材料在高溫、高壓環(huán)境下的穩(wěn)定性問題

鈦基復(fù)合材料在高溫條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的性 能，包括高比強(qiáng)度、高比模量、抗蠕變性能和熱穩(wěn) 定性等。采用 TiB+La2O3 增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料在 高溫下具有良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性[69]。然而， 當(dāng)溫度超過 700 ℃ 時(shí)，增強(qiáng)體的強(qiáng)化效果會(huì)減弱， 導(dǎo)致材料的塑性總體較低[20]。鈦基復(fù)合材料中增 強(qiáng)體的分布均勻性和與基體的結(jié)合良好程度對(duì)材 料的高溫性能有顯著影響。相關(guān)研究表明，原位自 身合成的增強(qiáng)體能夠?qū)崿F(xiàn)這些要求，從而提高材料 的整體性能[69]。此外，多尺度不連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合 材料通過不同尺度下的協(xié)同增強(qiáng)機(jī)制，產(chǎn)生了具有 高強(qiáng)度、良好的延展性和高溫耐久性的輕質(zhì)材料[70]。

鈦基復(fù)合材料的制備方法對(duì)其高溫性能也有 重要影響。增材制造技術(shù)（3D �。┛梢酝ㄟ^快速 凝固使顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料中晶粒細(xì)化，從而提 升力學(xué)性能[4,71]。這種技術(shù)為基于成分調(diào)控與結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)的高性能鈦基復(fù)合材料的開發(fā)帶來了機(jī)遇[71]。 盡管鈦基復(fù)合材料在高溫下表現(xiàn)出色，但仍存在一 些局限性。高楚寒等[4] 認(rèn)為，鈦合金的使用溫度普 遍局限于 600 ℃ 左右，超過這個(gè)溫度范圍，合金的 耐熱性會(huì)降低，熱強(qiáng)性與熱穩(wěn)定性難以匹配協(xié)調(diào)， 導(dǎo)致抗氧化性和疲勞性能下降。這表明在設(shè)計(jì)和 應(yīng)用鈦基復(fù)合材料時(shí)，需要考慮其在極端高溫環(huán)境 下的穩(wěn)定性。

未來的研究應(yīng)著重于進(jìn)一步提高鈦基復(fù)合材料的高溫性能，解決其在高溫、高壓環(huán)境下的穩(wěn)定 性問題。這包括優(yōu)化增強(qiáng)體的分布和與基體的結(jié) 合方式、改進(jìn)制備工藝、以及開發(fā)新的增強(qiáng)相和復(fù) 合體系[14]。鈦基復(fù)合材料在高溫、高壓環(huán)境下的 穩(wěn)定性問題需要綜合考慮材料的微觀結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)體 的作用、制備方法以及高溫下的局限性等多個(gè)因 素。通過不斷優(yōu)化這些方面，有望顯著提高鈦基復(fù) 合材料在極端環(huán)境下的應(yīng)用潛力。

3.2 復(fù)合材料界面黏結(jié)強(qiáng)度的提升需求

鈦基復(fù)合材料界面黏結(jié)強(qiáng)度的提升需求主要 源于其在航空航天、汽車工業(yè)和其他高要求領(lǐng)域的 廣泛應(yīng)用。這些應(yīng)用對(duì)材料的力學(xué)性能提出了更 高的要求，尤其是在極端環(huán)境下的穩(wěn)定性和耐久 性。從現(xiàn)有的研究來看，鈦基復(fù)合材料的界面黏結(jié) 強(qiáng)度直接影響到材料的整體性能。諸如，SiC 纖維 增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料（SiCf/Ti）因其高比強(qiáng)度和高比 模量而被廣泛用于航空航天領(lǐng)域，但其橫向性能較 差，這與界面黏結(jié)強(qiáng)度有直接關(guān)系[72]。原位自生法 制備的 TiC 顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料，其增強(qiáng)相分布 均勻，界面黏結(jié)良好，這表明通過優(yōu)化界面微觀結(jié) 構(gòu)可以顯著提高界面黏結(jié)強(qiáng)度[73]。

此外，納米碳和 TiB 等新型增強(qiáng)相的引入為提 高界面黏結(jié)強(qiáng)度提供了新的途徑。納米碳強(qiáng)化鈦 基復(fù)合材料通過優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)和性能，取得了一系 列研究進(jìn)展[74]。同樣，TiB 增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的第 一性原理研究也表明，通過控制界面結(jié)合的強(qiáng)度和 性質(zhì)可以有效提升材料的宏觀力學(xué)性能[75]。然而， 不同的增強(qiáng)相在與鈦基體的結(jié)合過程中可能會(huì)出 現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)或相互作用，這些因素都會(huì)影響界面的 黏結(jié)效果。

激光增材制造技術(shù)也為提高界面黏結(jié)強(qiáng)度提 供了新的可能性。通過精確控制激光燒結(jié)過程中 的界面連接機(jī)理，可以顯著提高 WCp 鈦基復(fù)合材 料的界面黏結(jié)強(qiáng)[76]。此外 ，微波燒結(jié)原位合成TiC 增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料顯示，原位生成的 TiC 增強(qiáng) 相分布均勻，且界面黏結(jié)良好，這是制備不連續(xù)TiC 增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的一種經(jīng)濟(jì)有效方法[77]。 另外，粉末冶金法、真空壓力浸漬法、機(jī)械合金法 以及原位自生法等制備技術(shù)也各有優(yōu)劣，選擇合適 的制備技術(shù)是提高界面黏結(jié)強(qiáng)度的關(guān)鍵。

總之，鈦基復(fù)合材料界面黏結(jié)強(qiáng)度的提升需求 主要源于其在高要求領(lǐng)域的應(yīng)用需求。通過采用 先進(jìn)的增強(qiáng)相、優(yōu)化制備工藝和改善界面結(jié)構(gòu)，可 以顯著提高材料的界面黏結(jié)強(qiáng)度，從而提升其整體 力學(xué)性能和應(yīng)用前景。

3.3 高精度、高質(zhì)量加工技術(shù)的難題

鈦基復(fù)合材料的變形難度較大，強(qiáng)度高，這使 得傳統(tǒng)的切削加工方法難以實(shí)現(xiàn)高精度和高質(zhì)量 的加工結(jié)果[62]。傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法在處理超硬 陶瓷顆粒、晶須和纖維增強(qiáng)相時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致加工 過程中的不平穩(wěn)和表面質(zhì)量差[78]。

為了解決這些問題，研究者們探索了多種先進(jìn) 加工技術(shù)。其中包括復(fù)合能場(chǎng)加工、鍛造加工和增 材制造等方法[66]。例如，激光 3D 打印技術(shù)通過原 位反應(yīng)減少裂紋的產(chǎn)生，同時(shí)平衡了傳統(tǒng)加工過程 中強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率難以兼顧的問題。此外，碳包覆鈦 復(fù)合粉體的應(yīng)用也為 3D 打印領(lǐng)域提供了新的研究 思路和技術(shù)支持[79]。

盡管如此，當(dāng)前的研究仍然存在一些主要問 題。高速磨削加工性研究表明，陶瓷 CBN 砂輪與 電鍍 CBN 砂輪在高速磨削過程中，磨削力與力比、 磨削溫度與熱分配等方面仍需進(jìn)一步優(yōu)化[80]。此 外，增材制造技術(shù)雖然在提高材料的力學(xué)性能方面 取得了一定進(jìn)展，但其認(rèn)證過程中的設(shè)計(jì)、材料、 工藝和檢測(cè)等環(huán)節(jié)仍需嚴(yán)格控制，以確保零件的質(zhì) 量[81]。

總之，鈦基復(fù)合材料的高精度、高質(zhì)量加工技 術(shù)尚需進(jìn)一步研究和優(yōu)化。未來的研究方向可以 包括：1）探索更高效的切削加工方法；2）優(yōu)化復(fù)合 能場(chǎng)加工、鍛造加工和增材制造等先進(jìn)加工技術(shù)；3）加強(qiáng)對(duì)高速磨削加工性的研究；4）嚴(yán)格控制增材 制造過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，以確保零件的高質(zhì)量[66,80-81] 。

4、未來發(fā)展趨勢(shì)與展望

4.1 增材制造技術(shù)在鈦基復(fù)合材料中的進(jìn)一步應(yīng)用

隨著增材制造（AM）技術(shù)工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)， 材料-工藝-結(jié)構(gòu)-性能/功能的相互關(guān)系和集成將得 到了越來越多的重視。在用激光增材制造（LAM） 技術(shù)制備鈦基復(fù)合材料的過程中，諸如鈦碳化物、 鈦硼化物和鈦氮化物等陶瓷材料將越來越會(huì)受到 青睞[82-86]。一方面，這些陶瓷材料因其高模量、高 硬度以及與鈦合金的良好兼容性，能夠顯著增強(qiáng)和 硬化鈦材料，有望拓寬高性能 TMCs 的應(yīng)用場(chǎng)景； 另一方面，LAM 技術(shù)以其高能量密度、高效、靈活 性和低材料浪費(fèi)等優(yōu)勢(shì)，為耐火陶瓷增強(qiáng)復(fù)合材料 的生產(chǎn)提供了有效途徑。這也將加速先進(jìn) LAM 技 術(shù)的發(fā)展。

考慮到傳統(tǒng)方法如大型爐設(shè)備、充足的加工時(shí) 間和精確的工藝控制會(huì)增加研發(fā)和生產(chǎn)成本，因此 迫切需要一種更高效且簡(jiǎn)單的方法來調(diào)和 TMCs的綜合力學(xué)性能。已有多種先進(jìn)的輔助工藝成功 應(yīng)用于原位合成 TMCs 或 LAM 制造的鈦合金，如 超聲波處理（超聲振動(dòng)、超聲沖擊、超聲滾壓等）、 表面處理（噴丸、激光沖擊強(qiáng)化、超聲噴丸等）、電 脈沖處理等[87-93]。目前，針對(duì) LAM 制備 TMCs 采 用這些處理技術(shù)的研究較少。未來，嘗試結(jié)合這些 領(lǐng)域可能會(huì)有助于發(fā)現(xiàn)有效方法，突破 LAM 制備TMCs 面臨的挑戰(zhàn)。

另外，不同的輔助工藝可潛在地引入到 TMCs的 LAM 制造中，為調(diào)整它們的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性 能帶來更多機(jī)會(huì)。各種技術(shù)的結(jié)合意味著必須全 面考慮多物理場(chǎng)耦合的復(fù)雜問題，包括熱場(chǎng)、聲 場(chǎng)、磁場(chǎng)和形變場(chǎng)等[93]。對(duì)于 TMCs 而言，基體和 增強(qiáng)材料各自相演變行為及強(qiáng)化/增韌機(jī)制的深入 研究將進(jìn)一步擴(kuò)大研究范圍。隨著各種模擬理念、 方法論和計(jì)算工具的發(fā)展，這些深層機(jī)制和科學(xué)問 題將得到更好的闡明。

4.2 表面納米化技術(shù)與數(shù)字化仿真技術(shù)的深入研究

隨著科技進(jìn)步和材料科學(xué)的飛速發(fā)展，鈦基復(fù) 合材料（TMCs）作為高性能材料的代表，其表面納 米化技術(shù)與數(shù)字化仿真技術(shù)的結(jié)合正成為推動(dòng)領(lǐng) 域革新與突破的關(guān)鍵力量。在未來趨勢(shì)中，表面納 米化技術(shù)通過精確調(diào)控材料表面的納米結(jié)構(gòu)，不僅 能夠顯著增強(qiáng) TMCs 的表面硬度、耐磨性和耐腐蝕 性，還能通過引入生物活性涂層等策略優(yōu)化其生物 相容性，為醫(yī)療器械和植入物應(yīng)用開拓新的可能 性。此外，納米結(jié)構(gòu)的可控設(shè)計(jì)還能促進(jìn)特殊功能 性表面的定制，如自清潔或增強(qiáng)與其他材料的界面 結(jié)合力，進(jìn)一步拓寬 TMCs 的應(yīng)用場(chǎng)景[59]。

與此同時(shí)，數(shù)字化仿真技術(shù)，特別是多尺度模 擬和人工智能算法的融入，為 TMCs 的設(shè)計(jì)、制造 與性能預(yù)測(cè)提供了前所未有的精確度和效率。通 過構(gòu)建“過程-結(jié)構(gòu)-性能”之間的內(nèi)在聯(lián)系模型， 仿真技術(shù)能夠優(yōu)化 LAM（激光添加劑制造）工藝參 數(shù)，預(yù)測(cè)熱物理行為，減少缺陷形成，從而在制造前 就可確保材料的高品質(zhì)。此外，智能化仿真平臺(tái)的 持續(xù)發(fā)展將使材料設(shè)計(jì)更加靈活，加速新材料的探 索與驗(yàn)證，為 TMCs 的性能優(yōu)化和新型復(fù)合體系開 發(fā)提供強(qiáng)有力支持[94]。

總之，表面納米化技術(shù)與數(shù)字化仿真技術(shù)的協(xié) 同演進(jìn)，預(yù)示著鈦基復(fù)合材料領(lǐng)域?qū)⒂瓉硪粋�(gè)融合 高效制造、精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化的新時(shí)代。未來研 究將側(cè)重于兩者的深度整合，旨在實(shí)現(xiàn)材料性能的 極限提升，縮短研發(fā)周期，以及推動(dòng)面向航空航天、 生物醫(yī)療等高精尖領(lǐng)域的定制化解決方案，開啟TMCs 創(chuàng)新應(yīng)用的新篇章。

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收稿日期：2024-06-07；錄用日期：2024-12-26通訊作者：楊寶（1991—），男，博士，工程師，研究方向?yàn)樾?材料研發(fā)、煉鋼過程工藝優(yōu)化和連鑄坯質(zhì)量控制等，聯(lián)系地 址：陜西省漢中市勉縣定軍山鎮(zhèn)陜鋼集團(tuán)漢中鋼鐵有限責(zé)任 公司（724207），E-mail：ybvip1991@163.com

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