引言

由TiB2， Al2O3[1],TiC[2]，SiC等陶瓷颗粒增强的铝基复合材料（AMCs）由于其优异的比强度和刚度，在不影响机械性能的情况下减轻重量，已被广泛研究用于先进的航空航天应用。在各种增强材料中，原位合成的TiB2颗粒具有优异的硬度和高熔点，并且与铝具有良好的晶格匹配，促进了界面的清洁和相干[[4]，[5],[6],[7]]。与非原位增强或非原位增强铝合金相比，这些特性显著提高了强度、热稳定性和抗疲劳性[8,9]。尽管原位TiB2增强具有诸多优点，但传统的铸造工艺往往会导致显著的显微组织缺陷，包括TiB2团聚、粗晶粒和强晶体织构[10]，[11],[12]]。在单调和循环加载下，缓慢凝固过程中由颗粒推动引起的严重颗粒聚集是裂纹形核的有效场所。相邻的非均相之间的负相互作用会破坏微观组织的均匀性，特别是在界面边界处，从而导致残余应力和热应力集中。这反过来又显著降低了变形阻力[13]。此外，明显的晶体织构可能导致方向依赖的变形和断裂机制。因此，这些微观结构缺陷不仅加剧了强度-塑性的权衡，而且促进了各向异性的力学行为，限制了这种复合材料在多轴加载条件下的适用性。

为了应对这些挑战，人们探索了几种替代的加工技术，如严重塑性变形（SPD）方法[10，[14],[15],[16]，[17]]和传统粉末冶金（PM）[18]，但每种方法都有其固有的局限性。SPD方法，包括等通道角挤压（ECAP）[19,20]和高压扭转（HPT）[1,21]，可以有效地细化晶粒结构，但受限于有限的样品尺寸和明显的晶体结构。与此同时，传统的PM技术通过快速凝固来缓解宏观偏析，但通常难以达到完全致密化，留下残余孔隙。最近，气体雾化和热等静压（HIP）的结合在实现近满密度（> 99.5%）和均匀分散亚微米颗粒方面显示出了巨大的潜力。然而，专门针对TiB2/Al复合材料优化HIP参数的系统研究仍然有限，并且控制微观组织均匀性的潜在机制仍然没有完全理解。

本研究提出了一种新的多尺度粉末工程策略，将原位TiB2颗粒合成与先进的工艺路线相结合，包括气体雾化、HIP、热挤压和热处理，以有效克服上述局限性。通过精确设计的工艺参数，该方法成功地实现了亚微米TiB2颗粒的均匀分散、精细的等轴晶粒结构和最小的晶体结构。所得到的复合材料表现出优异的强度、延展性和力学各向同性。因此，本研究不仅确立了原位TiB2/7050Al复合材料作为航空航天结构材料的可行候选材料，而且还提供了适用于其他先进金属基复合材料的可扩展策略。

图2所示。铸态和气雾化TiB2/7050Al复合材料的显微组织。(a)铸态复合材料的SEM图像和EDS元素图，显示晶界上有一些元素偏析聚集。(b)气雾化复合粉末的粒径分布。(c)气雾化复合粉末颗粒的SEM图像。(d)表面SEM图像显示细小的TiB2颗粒均匀分布在Al基体中。(e)单个粉末颗粒的横切面sem图像，显示内部结构均匀且无孔隙。(f) (e)的高分辨率SEM图像。(g)粉末颗粒的SEM图像和deds图。

图3所示。热等静压原位合成TiB2/7050Al复合材料的显微组织表征(a)低倍扫描电镜图像，显示基体中TiB2颗粒和初生相的整体均匀分布。(b)高倍扫描电镜图像显示不规则形状的初生相分布在整个基体中。(c)与(b)相对应的EDS元素图，确定其初生相为TiB2和Al-Cu-Mg富化合物。(d)显示均匀等轴晶粒结构的逆极图（IPF）图。(e)晶体极图表明，hip处理后的织构较弱且随机。(f)由(d)产生的颗粒大小分布。

图4所示。TiB2/7050Al复合材料挤压热处理后的显微组织。(a)扫描电镜图像显示TiB2颗粒和初生相均匀分散。(b) TiB2颗粒和初生相的SEM和EDS图。(c) EBSD-IPF图和极图显示纹理较弱的等轴晶粒。(d)由(c)产生的颗粒大小分布。

图6所示。PECed样品中η′纳米沉淀的微观组织表征及定量分析。（a, b）亮场透射电镜（BF-TEM）显微图显示η′纳米沉淀均匀地分散在基体中。(c)长度和宽度分布的沉淀尺寸频率直方图。(d)高分辨率透射电镜（HRTEM）图像，其中η′沉淀由黄色虚线椭圆描绘。(e)具有测量长度（红线）和宽度（蓝线）的代表性η′沉淀的放大HRTEM图像，以及相应的快速傅里叶变换（FFT）模式，突出了η′的特定反射和[011]区域轴下的Al矩阵。

图7所示。(a)热挤压常规铸造复合材料（EC）、as-HIPed复合材料和粉末工程复合材料（PEC）的拉伸工程应力-应变曲线。EC-ED和EC-TD数据引自Liu等人。(b) TiB2/7050Al （PEC）与近期文献报道的各种al基复合材料的强度-塑性性能比较[29-45]。

图10所示。原位TiB2/7050Al复合材料粉末工程过程中显微组织演变及强化机制示意图

结论

本研究展示了通过原位颗粒合成结合粉末工程路线，包括气体雾化、热等静压、挤压和热处理，制备高性能TiB2/7050Al复合材料。该复合材料的屈服强度为640MPa，极限抗拉强度为692MPa，伸长率为11.0%，力学响应接近各向同性，优于传统的TiB2/Al铸件。优异的性能源于快速凝固和颗粒辅助细化所带来的均匀微观结构。原位TiB2颗粒在铝基体中分散良好，充当非均相核和有效的齐纳钉钉剂，形成细小的等轴晶粒（~ 1.6 μm），织构较弱。通过细间距TiB2的Orowan旁路进行弥散强化、纳米级η′析出相析出硬化和Hall-Petch晶界强化协同作用，获得了高屈服强度。同时，均匀分布的颗粒和坚固的颗粒-基体界面抑制了局部应力集中和延迟裂纹萌生，从而实现了可观的延展性。粒子激发形核（PSN）进一步促进了更随机的晶粒取向，减轻了优选织构，并有助于近各向同性的力学响应。这些发现强调了开发的TiB2/7050Al复合材料在承受复杂多轴载荷和严格强度-延性要求的航空航天结构部件中的潜力。此外，本文建立的集成粉末工程策略为制造先进的金属基复合材料提供了可扩展和通用的途径。