干货分享 | 增材制造+粉末冶金，实现仿生“砖-泥”异质结构钛基复材优异强韧化

发布时间：

2026-05-08 00:00

来源：

阅读量：

5985

本文发表于Additive Manufacturing；第一完成单位：西安理工大学；第一作者：刘慧颖；共同通讯作者：李树丰教授、刘玉敬教授、赵子博教授及朱运田教授。

该项目获国家自然科学基金（52201165, 52471162, 52271112）、国家重点研发计划（2021YFB3701203）、航空科学基金（2023Z0530T6003）、西安市科技计划项目（24GXPT0001）、陕西省重点科技创新团队（2023-CX-TD-46）、陕西省教育厅科研计划项目（24JS035）以及广东省基础与应用基础研究基金（2024B1515130001）等项目的资助。同时，感谢东莞材料基因高等理工研究院（CEAM）提供的设施与技术支持。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2026.105170

图文来源：今日新材料

（一）研究背景

非连续增强钛基复合材料（DRTMCs）凭借低密度、高比强度、高比模量及优异的高温性能，成为航空航天领域极具竞争力的结构材料。然而，传统陶瓷颗粒的加入在提升强度的同时，往往会导致韧塑性的严重恶化。如何突破金属基复合材料固有的强度-塑性倒置难题，并提升其在高温环境下的结构稳定性，是当前材料科学领域的研究热点。

针对于此，西安理工大学展开了相关研究，并在增材制造领域知名SCI期刊《Additive Manufacturing》发表了题为“Strength-ductility synergy of bioinspired brick-mortar heterostructured titanium matrix composites by additive manufacturing coupled with powder metallurgy”的相关研究成果。东莞材料基因高等理工研究院（CEAM）为该研究提供了设施与技术支持。

（二）研究概括

本研究基于“结构-性能”耦合的仿生设计理念，利用具有极高的几何可控性的L-PBF技术预先构建连续的Ti65合金骨架作为承载“Mortar”，并在此间隙中填充本课题组自主研发的Ti-TiCp复合粉末作为“Brick”，经放电等离子体烧结（SPS）实现了微观结构在空间上的精准构筑。

（三）研究成果

该工艺充分发挥了复合粉末中原位自生TiCp的热稳定性与界面钉扎作用，形成了独特的粗晶硬区（Ti65“Mortar”）与细晶软区（Ti-TiCp“Brick”）交替的异质构型。这种反常的软硬区排布在变形过程中激发了强烈的HDI强化效应，显著提升了材料的加工硬化率。

该仿生“B-M”异质结构使复合材料实现了卓越的室温强塑性协同，其屈服强度达到731 MPa，同时保持了20%的断裂伸长率，较传统均质复合材料实现了强度与塑性的同步提升。

在高温性能方面，连续的Ti65“Mortar”作为强化骨架有效缓解了高温软化现象，使其在550 ℃和650 ℃下的抗拉强度较均匀Ti-TiCp复合材料分别显著提升了60%和143%。变形机制研究表明，HDI效应促进了<c+a>锥面滑移的大规模激活，这种多滑移系统的协同作用构成了材料获得高塑性的核心机理。

本研究通过AM+PM实现了宏观构型与微观组织强化的精准耦合，为开发下一代高性能、耐高温钛基复合材料提供了重要的理论支撑与技术范式。

图1. “B-M”异质结构复合材料的显微形貌（使用大面积EBSD拼接功能实现）