钛合金(jin)及其(qi)复合材(cai)料(liao)是我国航(hang)空(kong)航(hang)天领(ling)域(yu)结构材料(liao)中(zhong)的(de)关键材(cai)料，被(bei)称为航空工业(ye)的(de)脊柱。高(gao)温钛(tai)合(he)金(jin)是(shi)在(zai)传(chuan)统钛(tai)合金(jin)的(de)基础上针(zhen)对特(te)定(ding)高温环(huan)境(jing)所(suo)开(kai)发的(de)钛(tai)合(he)金(jin)体(ti)系(xi)，具(ju)有(you)比强(qiang)度(du)高、比刚(gang)度高、耐(nai)腐蚀、耐高温等(deng)优异(yi)性能，因(yin)此被用作(zuo)现(xian)代(dai)航空航(hang)天(tian)发(fa)动(dong)机或高(gao)温(wen)段部(bu)件用(yong)关(guan)键(jian)结(jie)构(gou)材(cai)料(liao)[1–3]。高温钛合金可用于工作温(wen)度 600 ℃ 以(yi)下(xia)的(de)航空发动机高压压气机叶(ye)片、飞机机(ji)身(shen)构件(jian)及蒙(meng)皮(pi)等[4–6]。
TiAl 合金在耐高(gao)温的(de)基础上，具有更(geng)优(you)异的抗蠕变(bian)和(he)抗氧化(hua)特性，适用(yong)于(yu)先进军(jun)用(yong)飞(fei)机发动(dong)机(ji)高压压(ya)气(qi)机及(ji)低压(ya)涡(wo)轮叶片等[7,8]，是目(mu)前(qian)替代镍(nie)基高(gao)温(wen)合(he)金(jin)的理想材(cai)料；Ti‒V‒Cr 系(xi)阻(zu)燃(ran)钛合金应用(yong)于航空发动(dong)机(ji)的尾喷(pen)管和(he)加(jia)力燃烧室[9]，可有效避免航(hang)空(kong)发动(dong)机钛(tai)火风险(xian)。
随着近(jin)几(ji)年航空航天领(ling)域的(de)高(gao)速发(fa)展(zhan)，对(dui)结(jie)构材(cai)料性能、材料轻(qing)量(liang)化和(he)一体化战略应(ying)用(yong)的(de)需(xu)求不断提高，为了满足相关特定(ding)领域的特定(ding)技(ji)术需求(qiu)，在(zai)高(gao)温(wen)钛合(he)金(jin)不断(duan)发展(zhan)的同时，钛基(ji)复合材(cai)料(liao)（titanium matrix composites，TMCs）也(ye)受(shou)到(dao)了广泛关(guan)注(zhu)[10,11]。TiB、TiC、B4C[12]、氮化(hua)物、SiC、石墨(mo)烯(xi)、碳纳米管、TiB2、LaB6 等(deng)[12–14] 多种陶(tao)瓷颗
粒(li)或稀土(tu)间(jian)化(hua)合物被(bei)用于(yu)增(zeng)强钛基(ji)体，其中(zhong)细(xi) TiB晶须(xu)和(he)超细(xi) TiC 颗(ke)粒因(yin)其(qi)与(yu)钛具有(you)优异的(de)化学(xue)相容(rong)性(xing)而(er)被广(guang)泛应(ying)用。现阶(jie)段，基(ji)于(yu)粉(fen)末冶(ye)金法、熔(rong)铸法、自蔓延(yan)高温(wen)合成法(fa)等
[15–17] 制造(zao)技术(shu)已(yi)经(jing)被(bei)用于(yu)制造(zao)颗(ke)粒增(zeng)强钛基复(fu)合材料。
增材制造(zao)（additive manufacturing，AM）[18–20]技术凭借(jie)着(zhe)特(te)有的(de)无需开(kai)模(mo)全数字化(hua)、快(kuai)速凝(ning)固(gu)速(su)度和(he)近(jin)净成形复(fu)杂(za)零部(bu)件的(de)独(du)特优势，使(shi)其(qi)在(zai)航(hang)空航天(tian)领域结构件和(he)功能(neng)件(jian)的(de)示(shi)范应用(yong)越(yue)来越广泛(fan)，为(wei)金属(shu)基复(fu)合(he)材料的(de)制备(bei)提(ti)供(gong)一种极(ji)具潜(qian)力的(de)新方法(fa)。本(ben)文围绕(rao)高温钛合(he)金(jin)及(ji)增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)制备(bei)钛基复合(he)材(cai)料(liao)，从微(wei)观组(zu)织(zhi)特(te)性(xing)、增强相选(xuan)择、力(li)学(xue)性能(neng)等(deng)
方(fang)面(mian)系统(tong)梳(shu)理了现(xian)阶段国(guo)内外(wai)高温(wen)钛合(he)金(jin)及其(qi)复(fu)合材(cai)料(liao)研究进展，并(bing)对(dui)该(gai)领(ling)域(yu)的(de)发展(zhan)趋(qu)势进(jin)行(xing)了展(zhan)望(wang)，探(tan)讨(tao)钛基功(gong)能梯度(du)材(cai)料在航空(kong)制(zhi)造(zao)方(fang)面(mian)的应(ying)用(yong)。
1、高温(wen)钛合(he)金(jin)的发展及其(qi)微观(guan)组(zu)织
高温(wen)钛合(he)金(jin)也(ye)称(cheng)耐(nai)热(re)钛合(he)金(jin)（使(shi)用温(wen)度在 400 ℃以上），被(bei)广泛应用于(yu)航空工(gong)业(ye)领(ling)域并对(dui)高温(wen)钛(tai)合金(jin)的(de)需求呈高(gao)速增长(zhang)趋势(shi)，代表合(he)金(jin)有(you)美(mei)国(guo)的Ti‒1100、英国(guo)的 IMI834
[21]、俄罗斯的(de) BT18Y、中(zhong)国(guo)的(de) Ti60、Ti600 和(he) Ti65 等，成分均为(wei) Ti‒Al‒Sn‒Zr‒Mo‒Si 系，并且属(shu)于(yu)近(jin) α 型(xing)钛(tai)合(he)金[22]（如(ru)表 1所(suo)示(shi)）。近 α 型钛合(he)金兼顾(gu)了 α 型(xing)钛(tai)合(he)金(jin)的(de)高温(wen)蠕(ru)变强度和(he) α+β 型钛合金(jin)的高静(jing)强度(du)，稳态(tai)下(xia)以(yi) α 相为基(ji)体(ti)，含有不(bu)超(chao)过 2%（质量分数）的(de) β 相稳定元素，具(ju)有较好(hao)的结构和组织(zhi)稳(wen)定性，是(shi)航(hang)空航天(tian)用高温钛(tai)合金的(de)主(zhu)要(yao)合金(jin)体系(xi)。Zr 和(he) Ti 在(zai)周期(qi)表中(zhong)属(shu)于同(tong)族（IVB）元(yuan)素(su)，性质(zhi)相似，并且原(yuan)子尺寸接(jie)近，不论在高温(wen) β 相区(qu)还(hai)是(shi)在(zai)低温(wen) α 相区(qu)，Zr 和(he) Ti 都会无限(xian)固溶(rong)，形成无限固溶体(ti)，对(dui)钛(tai)合金产生固(gu)溶强(qiang)化(hua)。
在 IMI829 钛(tai)合金基础上(shang)开(kai)发的英国(guo) IMI834 合金(jin)，短(duan)时(shi)服(fu)役温度(du)可(ke)达(da) 650 ℃[23]，其特(te)点(dian)是添(tian)加(jia)质(zhi)量(liang)分数 0.06% 的 C，在(zai) α+β 两相区(qu)经热(re)处(chu)理后得到(dao)双(shuang)态组织(zhi)。经(jing)固(gu)溶(rong)和(he)时效(xiao)热(re)处(chu)理后(hou)，白色(se)初生(sheng) α 相含量(liang)随着(zhe)固溶(rong)温(wen)度(du)的(de)增(zeng)大而(er)减少，经时效处(chu)理(li)合金中(zhong)除初生(sheng) α 相(xiang)外的(de) β 转(zhuan)变(bian)组(zu)织全(quan)部(bu)由次(ci)生(sheng) α 相组成(cheng)，且(qie)次(ci)生 α 相(xiang)形(xing)貌变化不大(da)。IMI834 钛(tai)合(he)金棒(bang)材的最 佳(jia) 热 处(chu) 理 工 艺 为(wei) (1005～ 1025 ℃)×2 h+水 淬(cui) +(750～800 ℃)×2 h+空冷(leng)，合金的(de)高(gao)温蠕变(bian)伸长(zhang)率和持(chi)久(jiu)值分别(bie)提高(gao)到(dao) 0.147% 和(he) 127 MPa，这主要(yao)与(yu)空冷过程中形(xing)成(cheng)的(de)细(xi)长(zhang)次(ci)生(sheng) α 相有关[24]。由(you)于(yu)组织(zhi)中(zhong)还存在(zai)少量(liang)等轴初(chu)生 α 相，对合金(jin)有强化(hua)作(zuo)用，与(yu)同(tong)类钛(tai)合(he)金(jin)相(xiang)比(bi)具有明(ming)显(xian)优(you)势。目前已用(yong)于(yu)空客(ke) A330 遄(chuan)达(da) 700 发动机(ji)的(de)所(suo)有轮盘(pan)、鼓筒(tong)及(ji)后轴，采用(yong)一体(ti)式焊接，能(neng)使发动机(ji)重(zhong)量(liang)减(jian)轻(qing)。
美国 Ti‒1100[25] 合金(jin)作(zuo)为(wei)防(fang)热(re)瓦(wa)应用(yong)于超高(gao)速(su)载人飞行(xing)器(qi)的(de)热(re)防护(hu)系统，是在原(yuan) Ti‒6242S 钛(tai)合(he)金的(de)基(ji)础(chu)上通过(guo)调(diao)控(kong) Al、Sn、Si 和 Mo 元(yuan)素研(yan)发(fa)出(chu)来(lai)的(de)一(yi)种(zhong)近(jin) α 型高温钛(tai)合(he)金，其使用(yong)温度提高至(zhi) 600 ℃。Ti‒1100 合(he)金的(de)特(te)点是(shi)具备较低的(de)韧(ren)性(xing)和较大(da)的疲(pi)劳(lao)裂纹扩(kuo)展速(su)率(lv)[26]，该合(he)金(jin)对杂(za)质元素(su)氧和铁(tie)的(de)含(han)量（质(zhi)量(liang)分数(shu)）控制(zhi)在 0.07% 和 0.02%
以下(xia)，低(di)含(han)氧量(liang)有助于(yu)提(ti)高高温(wen)钛(tai)合(he)金(jin)的蠕(ru)变性(xing)能和(he)热(re)稳(wen)定性，低(di)含(han)铁量可(ke)避(bi)免(mian)蠕变抗(kang)力(li)下降[27]。付彬(bin)国(guo)[28] 通过调控(kong) Ti‒1100 中(zhong) Zr 元素(su)考(kao)察 Zr 对合(he)金的(de)显微(wei)组织(zhi)和(he)力学性(xing)能(neng)的影响(xiang)，研究表(biao)明合(he)金(jin)的(de)铸(zhu)态(tai)组织仍为魏氏组织(zhi)，原(yuan)始(shi) β 晶(jing)界(jie)明显，主要(yao)由(you) α片层(ceng)以及片层之间(jian)残留(liu) β 相(xiang)构成。Zr 含(han)量(liang)的(de)增加(jia)对合金(jin)的(de)组织(zhi)具(ju)有细化作用(yong)，并能(neng)提(ti)高合(he)金的(de)力(li)学性能，显微(wei)硬度随 Zr 含(han)量的(de)增(zeng)加而增(zeng)加(jia)。
在(zai)我国的(de)高(gao)温(wen)钛合(he)金(jin)发(fa)展(zhan)中，稀(xi)土(tu)元素(su)在合金(jin)体系中的应(ying)用一直(zhi)被(bei)探讨(tao)和(he)研(yan)究(jiu)。Ti60 是(shi) Ti‒Al‒Sn‒Zr‒Mo‒Nb‒Ta‒Si 系多元(yuan)复合强(qiang)化的(de)近 α 型(xing)高温(wen)钛合金(jin)，应用(yong)于航(hang)空航天(tian)发(fa)动(dong)机涡轮叶(ye)盘叶(ye)片，合金中(zhong)添加少量高(gao)熔点 β 型(xing)稳定(ding)元(yuan)素 Ta、Mo，稀(xi)土元(yuan)素 Nd[29–31]，α 型稳(wen)定(ding)元(yuan)素 Al、Sn、Zr 和少(shao)量(liang)Si 元素的(de)协同(tong)作用，硅化物、α2 相在(zai) α 片(pian)层(ceng)间(jian)析(xi)
出，起到(dao)有(you)效(xiao)钉扎作用，阻碍 α 片(pian)层(ceng)内(nei)的(de)位(wei)错滑(hua)移(yi)和攀移(yi)，合金(jin)强(qiang)化(hua)机(ji)制(zhi)为(wei)细晶强(qiang)化(hua)，固溶(rong)强(qiang)化和(he)金(jin)属间化(hua)合物(wu)（α2 相(xiang)）、硅(gui)化(hua)物(wu)弥(mi)散(san)强(qiang)化(hua) [32]，组(zu)织(zhi)以针(zhen)状 α 相(xiang)和(he) β 相(xiang)组成(cheng)的魏氏组(zu)织(zhi)为主[33]，伴(ban)有(you)少量的网篮(lan)组(zu)织。添(tian)加稀(xi)土元素(su)反应(ying)生成稀(xi)土氧(yang)化物(wu)可(ke)以(yi)净(jing)化基体(ti)、提高热(re)稳(wen)定性，稀土化(hua)合物的(de)第(di)二相也(ye)可(ke)作为(wei)异(yi)质形(xing)核点(dian)阻碍晶(jing)粒长大，起到了(le)细晶(jing)强化(hua)的作(zuo)用，使(shi) Ti60 具有较高的高(gao)温强度(du)和(he)高(gao)温抗氧化(hua)性(xing)等综(zong)合力学(xue)性(xing)能，服(fu)役(yi)环境(jing)可达(da) 600 ℃以(yi)上。Ti65 合(he)金是(shi)由 Ti60 合(he)金优化而(er)成(cheng)的高温钛(tai)合金(jin)，其(qi)长(zhang)时(shi)使(shi)用(yong)温度为(wei) 650 ℃，短(duan)时(shi)使用温(wen)度(du)可达(da) 750 ℃，在 Ti60 合金基础(chu)上(shang)减少(shao)元素(su) Sn、Zr，同(tong)时添加(jia)弱(ruo) β 稳(wen)定(ding)元(yuan)素 Ta 以(yi)及高熔(rong)点元(yuan)素(su) W，弥(mi)补(bu)了合金强度(du)的损失，也(ye)改(gai)善了(le)蠕(ru)变(bian)抗性(xing)和(he)强度持
久(jiu)性能。原始 Ti65 板材为(wei)等轴(zhou)组(zu)织，由等轴(zhou)或(huo)拉长(zhang)的(de) α 相(xiang)和少量(liang)的(de)晶间 β 相构成[34]，随(sui)着(zhe)热处(chu)理(li)温(wen)度(du)的提高(gao)和(he)固溶(rong)时效，组(zu)织(zhi)转变(bian)为典型的双(shuang)态组织(zhi)，片(pian)层(ceng)厚(hou)度(du)增(zeng)加[35]，实(shi)现了塑性(xing)的提高(gao)，是(shi)航空发(fa)动机(ji)高(gao)温部(bu)件(jian)的备选(xuan)材料(liao)或作(zuo)为复(fu)合材料基体。
2、颗粒(li)增(zeng)强钛基复合材料(liao)的(de)发(fa)展(zhan)
目前(qian)钛(tai)合(he)金的(de)使用温度普(pu)遍局限(xian)于 600 ℃ 左右(you)，主要原因(yin)是当温度(du)超过 600 ℃ 时，合金耐热(re)性(xing)降(jiang)低(di)，热强性(xing)与(yu)热(re)稳定性难以匹配协(xie)调(diao)，导致(zhi)合金(jin)抗(kang)氧(yang)化(hua)性(xing)和(he)疲(pi)劳性(xing)能急剧下降，对航(hang)空(kong)发动机零(ling)部(bu)件(jian)存(cun)在有钛(tai)火(huo)风险(xian)[36]。为(wei)突(tu)破 600 ℃ 这(zhe)一(yi)使用(yong)瓶(ping)颈，研(yan)究者发现(xian)在高(gao)温钛(tai)合金(jin)中添(tian)加(jia)颗(ke)粒(li)增(zeng)强(qiang)剂(ji)能有(you)效提(ti)高钛合(he)金高温(wen)性(xing)能，同(tong)时(shi)具(ju)有各(ge)向同(tong)性(xing)、制(zhi)备工(gong)艺(yi)简(jian)单、二次加(jia)工性(xing)好(hao)和低(di)成本(ben)等(deng)特(te)点。常(chang)用(yong)的(de)增强(qiang)材(cai)料(liao)有(you) La2O3、SiC、TiC、TiB2、TiB 等(deng)。
在这(zhe)些(xie)增(zeng)强材(cai)料中(zhong)，TiC 和 TiB 的(de)热(re)膨胀(zhang)系数与(yu)钛基体(ti)的热(re)膨(peng)胀系数(shu)（(9.41～10.03)×10‒6 K‒1）相似[36−38]，可(ke)以有(you)效降(jiang)低(di)复(fu)合(he)材料制备(bei)时产(chan)生(sheng)的热(re)残余应力(li)，制(zhi)备出具有(you)良(liang)好(hao)耐(nai)磨性（硬(ying)度增强）、高(gao)抗压(ya)强(qiang)度(du)和(he)优(you)异的高(gao)温稳定(ding)性（即抗蠕变性(xing)能(neng)）的(de)轻(qing)质(zhi)钛基(ji)复(fu)合材(cai)料(liao)。
高(gao)温(wen)钛合(he)金(jin)与其原(yuan)位(wei)自生后(hou)的(de)复(fu)合材(cai)料(liao)相(xiang)比，硬(ying)度(du)、屈服(fu)强度(du)和抗(kang)拉强度(du)都有显著(zhu)提(ti)升(sheng)，但(dan)塑性会降(jiang)低。与 IMI834 相比(bi)，郑博文等[39] 制备的 TiC、TiB 和 La2O3 三元(yuan)增强 IMI834 基(ji)复(fu)合(he)材(cai)料洛(luo)氏(shi)硬(ying)度(du)增(zeng)加(jia)到 HRC 55.1。Qin 等[40] 原位合(he)成(cheng) (TiB+TiC)/Ti6242 复合材(cai)料，其(qi)氧(yang)化速(su)率(lv)低(di)于(yu) Ti6242。神祥(xiang)博(bo)[41] 使用放(fang)电等离子(zi)烧(shao)结法(fa)分别制(zhi)备(bei)不(bu)同(tong)体积(ji)分数(shu)的 TiB/Ti 复合材料(liao)，TiB 组(zu)织(zhi)的长(zhang)径比较高(gao)，互相(xiang)交叉呈(cheng)立(li)体(ti)网状(zhuang)分布(bu)；随(sui)着(zhe) TiB 含(han)量的(de)增(zeng)加，晶(jing)须(xu)团聚增多(duo)，在 Ti 与(yu) TiB2 界(jie)面处生成的 TiB 密(mi)度最(zui)高，使内部(bu) TiB2 不(bu)能直(zhi)接与(yu) Ti 颗粒反应(ying)，只能与少(shao)量(liang)通(tong)过(guo)扩(kuo)散进(jin)入(ru)的(de) Ti 原子发(fa)生反应(ying)，团聚(ju)趋(qu)势越来越明(ming)显。在力(li)学(xue)性能(neng)方(fang)面，随着 TiB 含量的(de)提(ti)高，TiB/Ti 复合(he)材(cai)料的(de)相对(dui)密(mi)度呈(cheng)下(xia)降(jiang)的(de)趋势，
但(dan)硬(ying)度不断增大，抗拉(la)强度(du)呈(cheng)现出先增大后(hou)减(jian)小(xiao)的(de)趋势，在烧结温度为(wei) 950 ℃ 时制(zhi)得(de)的(de)体积(ji)分(fen)数(shu) 3%的(de) TiB/Ti 复(fu)合(he)材料抗拉(la)强度(du)最高(gao)，同时延伸(shen)率随(sui)烧(shao)结温(wen)度(du)和 TiB 含(han)量的(de)提(ti)高呈下降(jiang)趋势，压(ya)缩(suo)屈(qu)服强(qiang)度(du)和(he)抗压强(qiang)度增大，与塑性成反比(bi)。
与基体合(he)金相比，复(fu)合材料(liao)具(ju)有(you)更(geng)高的显(xian)微硬度、更(geng)低(di)的(de)磨损率，表(biao)现(xian)出(chu)更(geng)优(you)的耐磨性，在(zai)航(hang)空(kong)航(hang)天用(yong)金属(shu)材料中有着(zhe)重(zhong)要(yao)的(de)意义(yi)。Attar 等[42] 使用(yong)铸造技(ji)术制(zhi)备(bei) Ti‒5%TiB2（质(zhi)量分数(shu)），得到(dao)的(de)铸态(tai)复合材料(liao)中(zhong) TiB 颗粒偏粗(cu)，只观(guan)察到(dao)较(jiao)厚(hou)和(he)较长的(de)硼化(hua)物(wu)颗粒，并没(mei)有(you)出现大量平(ping)行针(zhen)状(zhuang) TiB，显微(wei)硬(ying)度高于(yu)工业纯(chun)钛(tai)，杨氏(shi)模(mo)量和(he)强度的数值均(jun)优(you)于(yu)粉(fen)末冶(ye)金制备(bei)的(de)复合(he)材料，但孔隙(xi)的(de)存在导(dao)致(zhi)复(fu)合(he)材料弹(dan)性模量和(he)强度(du)的降(jiang)低。Yamamoto 等[16]制备了 B/Ti 原(yuan)子(zi)比为(wei) 0.3～0.6 的钛基(ji)复合(he)材(cai)料(liao)，由(you) Ti 基(ji)体(ti)和(he)分(fen)散(san)的片(pian)状(zhuang) TiB 反应(ying)产(chan)物(wu)组(zu)成，硬(ying)度(du)随(sui) B 原(yuan)子(zi)数分数(shu)单调增(zeng)加(jia)，复合材料的(de)维氏(shi)硬度(du)为 5.6～7.1 GPa，屈(qu)服(fu)应力(li)随(sui) B 原(yuan)子数(shu)分数(shu)的(de)增(zeng)加而增(zeng)大；随(sui)着(zhe) B/Ti 原子比的增(zeng)加(jia)，磨(mo)损(sun)量减(jian)小，对磨损率(lv)的(de)改(gai)善(shan)在 B/Ti 原子(zi)比(bi)为 0.3 左右(you)达(da)到(dao)饱和(he)。Li 等[43] 以 Ti‒4.5Fe‒6.8Mo‒1.5Al 为(wei)基(ji)体，分(fen)别(bie)添加体(ti)积(ji)分(fen)数 5%、10%、15% 的 TiB2，通(tong)过(guo)机(ji)械合金化法(fa)得到(dao)复合(he)材料(liao)。随着(zhe)烧结材料从(cong)高温(wen)冷(leng)却(que)，母(mu)相晶粒尺(chi)寸越(yue)小，晶(jing)内(nei)缺陷(xian)越多，过渡时析(xi)出相的形核(he)速率越(yue)大，得(de)到的(de)组(zu)织越(yue)细小，Ti 的晶(jing)粒(li)细(xi)化(hua)和(he)晶(jing)格(ge)畸(ji)变(bian)在晶(jing)粒内(nei)部积累(lei)了(le)大量(liang)的(de)微(wei)缺(que)陷（位(wei)错(cuo)、空(kong)位），进(jin)一(yi)步(bu)细(xi)化(hua)晶粒。随着 TiB 含量的增(zeng)加(jia)，钛(tai)基复(fu)合(he)材(cai)料的(de)密(mi)度和(he)硬(ying)度(du)也(ye)随之增(zeng)加(jia)，当 TiB2 体积(ji)分数为(wei) 15% 时，钛基(ji)复合材料(liao)的(de)最高(gao)密度达到 4.713 g·cm‒3，显微硬(ying)度(du)达到 HV 851.58。
3、增材制(zhi)造技术(shu)制备钛基复(fu)合材(cai)料(liao)研究(jiu)进展(zhan)
相对于(yu)传(chuan)统制造技术(shu)，增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)作(zuo)为(wei)一种(zhong)高速(su)发(fa)展的近(jin)净成(cheng)形精细加(jia)工(gong)技(ji)术，采用(yong)“离(li)散(san)+堆(dui)积”原理(li)，这是一种(zhong)自下(xia)而(er)上的方法，由(you)零件(jian)三维数据(ju)驱(qu)动(dong)直(zhi)接(jie)制(zhi)造(zao)零件(jian)，实(shi)现了复杂(za)几(ji)何(he)形状(zhuang)构件的(de)一(yi)体(ti)化(hua)近(jin)净(jing)成形，减(jian)少时(shi)间(jian)和成本(ben)的同(tong)时(shi)，增材制(zhi)造(zao)工(gong)艺(yi)的高冷却速(su)率(lv)导(dao)致(zhi)了(le)微观(guan)结(jie)构的大(da)幅细(xi)化，提(ti)高了(le)硬(ying)度和强(qiang)度[18, 44]。目前，增(zeng)材制(zhi)造(zao)技术(shu)已运(yun)用
于制备(bei)各种(zhong)不同类(lei)型及成(cheng)分(fen)组(zu)成的钛基复合(he)材料中(zhong)，如 TiC/Ti[45]、TiB/CP‒Ti[46, 47]、TiB/Ti‒6Al‒4V[48, 49]、TiC/Ti‒6Al‒4V 等(deng)，为多种钛(tai)合(he)金(jin)与(yu)钛(tai)基(ji)复合材(cai)料(liao)复(fu)杂(za)零(ling)部件的研(yan)制(zhi)打开(kai)了(le)一(yi)扇(shan)新的窗户(hu)。但(dan)由(you)于(yu)零件(jian)尺寸受限(xian)制，多用于(yu)复杂精密中小零(ling)件的(de)加(jia)工。
运用于钛合金及其复(fu)合材(cai)料(liao)方面(mian)的(de)增(zeng)材制(zhi)造技(ji)术(shu)主(zhu)要(yao)有(you)两(liang)种：一种是(shi)预(yu)置铺粉的(de)选(xuan)区激(ji)光熔化(hua)技(ji)术[50, 51]（selective laser melting，SLM），如图(tu) 1（a）所示(shi)；另一种是喷(pen)嘴同步(bu)送(song)粉的(de)激(ji)光(guang)直接(jie)沉积技(ji)术[52, 53]（direct laser deposition，DLD），用(yong)自(zi)动喷(pen)粉(fen)（同(tong)轴或(huo)非(fei)同轴）的(de)方(fang)式将原始粉末(mo)引(yin)入(ru)由(you)高功率激光产(chan)生(sheng)的(de)熔池(chi)中(zhong)焊接(jie)成形(xing)，如图(tu)1（b）所示。
B 单质(zhi)和(he) TiB2 可(ke)与(yu) Ti 基(ji)体(ti)原位自生(sheng)晶须(xu)状(zhuang) TiB第(di)二(er)相(xiang)，这(zhe)是(shi)一种(zhong)硬度很高(gao)的陶(tao)瓷(ci)增(zeng)强(qiang)相(xiang)，与(yu)未增(zeng)强(qiang)复合材料相比，TiB2 陶瓷的(de)添(tian)加显(xian)著改(gai)善了(le)复(fu)合(he)材料(liao)的(de)硬度(du)、强度和耐(nai)腐蚀性(xing)能[54]，具有较好的弹性(xing)模(mo)量以(yi)及高(gao)温(wen)蠕(ru)变(bian)性能(neng)，但材(cai)料(liao)塑性有(you)所降低，这是由于(yu)原(yuan)位合成 TiB 相的强化作(zuo)用和(he)基(ji)体晶(jing)粒细(xi)化(hua)的结果[46, 47, 55, 56]。通过激(ji)光(guang)的(de)高(gao)能(neng)量(liang)密(mi)度，粗大(da)的共晶块(kuai)状 TiB 可以细(xi)化至(zhi)亚微米级(ji)或纳米(mi)级(ji)的晶(jing)须(xu)状(zhuang)和等(deng)轴状(zhuang)。激光(guang)加(jia)工过(guo)程(cheng)中(zhong)分(fen)散(san)到熔体(ti)中(zhong)的(de)固体增(zeng)强粒子在基(ji)体凝固过(guo)程中(zhong)作(zuo)为(wei)异相(xiang)形核位(wei)点，导(dao)致基(ji)体(ti)晶粒细化，从(cong)而提(ti)高了(le)硬度和(he)强度，如图 2 所示，通过(guo)增材制(zhi)造技(ji)术制(zhi)备的钛(tai)基(ji)复合(he)材(cai)料(liao)与(yu)原(yuan)基(ji)体(ti)合(he)金(jin)相比(bi)硬(ying)度(du)均提(ti)高(gao)。这种晶(jing)粒(li)细化程度(du)主(zhu)要受(shou)增(zeng)强(qiang)颗(ke)粒尺(chi)寸、体(ti)积分(fen)数和(he)分布模(mo)式的影(ying)响(xiang)。
增强(qiang)颗粒(li)体积(ji)分数的增(zeng)加和(he)尺寸(cun)的(de)减(jian)小被(bei)认(ren)为(wei)有利(li)于基(ji)体晶(jing)粒(li)细化。如图 3 所(suo)示(shi)，钦兰云等 [56] 在TC4 粉(fen)末(mo)中(zhong)分别(bie)添(tian)加(jia)质量分(fen)数(shu)为 0.16%、1.61% 和3.22% 的 TiB2 粉(fen)末(mo)，生成了(le)针(zhen)状 TiB，并且随(sui)着(zhe) B含量的(de)增(zeng)加，TiB/Ti‒6Al‒4V 复(fu)合(he)材料(liao)的(de) α 片(pian)层尺(chi)寸明(ming)显(xian)减小(xiao)、晶(jing)粒(li)细化。在 TiB2 添加(jia)量较(jiao)大的(de)试样(yang)中，针(zhen)状(zhuang) TiB 增(zeng)强(qiang)相聚(ju)集(ji)在(zai)一起(qi)成簇生(sheng)长，更(geng)有(you)
部分出(chu)现联(lian)结生(sheng)长的现(xian)象(xiang)，显微(wei)硬(ying)度、抗(kang)拉强(qiang)度(du)和(he)屈(qu)服强度(du)显著(zhu)提(ti)高。
在(zai)增材(cai)制(zhi)造加工(gong)中最(zui)常见的(de)缺(que)陷之(zhi)一(yi)是(shi)孔(kong)隙，主(zhu)要(yao)分(fen)布(bu)在未熔(rong)合、未(wei)熔(rong)化(hua)/部(bu)分熔(rong)化粉(fen)末颗粒、轨道(dao)间/层(ceng)间(jian)分层中。这(zhe)些气(qi)孔作为(wei)应(ying)力集中(zhong)部(bu)位，会减(jian)少有(you)效承载(zai)面积，对(dui)力学性(xing)能(neng)产(chan)生不利影(ying)响，包(bao)括(kuo)强度(du)、蠕变(bian)性能和疲(pi)劳寿(shou)命(ming)等(deng)[57, 58]。通(tong)过调整(zheng)工艺参(can)数使 TiC、TiB 变为(wei)纳(na)米(mi)级(ji)并(bing)组成三维(wei)（3D）原(yuan)位(wei)超细(xi)网络(luo)结(jie)构(gou)可(ke)有效(xiao)提高(gao)相(xiang)对密(mi)度(du) [59, 60]。Li等(deng)[58] 以 Ti‒6Al‒4V 和 B4C 粉(fen)末(mo)为(wei)原料，通过(guo)优(you)化的(de)选区激(ji)光(guang)熔(rong)化(hua)工艺(yi)，原(yuan)位(wei)合(he)成(cheng)了无裂(lie)纹(wen)、相(xiang)对密(mi)度几乎为(wei) 99% 的大块(kuai)型钛基(ji)纳(na)米(mi)复(fu)合(he)材料，当体(ti)积能(neng)量密度(du)在 120 J·mm‒3 时，TiB 沿(yan) [010]B27 方(fang)向(xiang)的(de)晶粒(li)生长(zhang)速(su)度(du)较(jiao)快，组(zu)织(zhi)为(wei)超(chao)细(xi) TiB 短(duan)纤维(wei)，形(xing)成全(quan)连(lian)续(xu)的(de)“壁状”结(jie)构，使相对密(mi)度(du)提(ti)高(gao)，少(shao)量的纳(na)米级(ji) TiC 呈(cheng)现(xian)相(xiang)当(dang)小(xiao)的球(qiu)状形状，也能(neng)起到(dao)复(fu)合(he)材料第二相强化作用。
热(re)稳定性(xing)是(shi)高(gao)温(wen)钛合金的重要(yao)力(li)学指(zhi)标之(zhi)一，国内(nei)主要(yao)是在原有高(gao)温(wen)钛(tai)合金成(cheng)分(fen)的(de)基(ji)础上通过(guo)添加稀(xi)土元(yuan)素(su)来(lai)达到(dao)提升热稳(wen)定(ding)的效果(guo)。稀(xi)土元素可(ke)与合(he)金中(zhong)的(de)硫等(deng)杂质元(yuan)素反应(ying)，在晶(jing)界(jie)析(xi)出，净(jing)化基体，并作(zuo)为脱氧(yang)剂(ji)与合金中的(de)氧(yang)元素反(fan)应(ying)生成(cheng)稀(xi)土(tu)氧(yang)化(hua)物(wu)，细(xi)化铸态晶粒，净(jing)化(hua)基体并阻(zu)碍(ai)位错运动(dong)，同(tong)时(shi)提(ti)高热稳定(ding)性[30]。丁超(chao)[61] 通(tong)过(guo)添加(jia)稀土元素钇(yi)使 Ti600 合(he)金(jin)和(he)钛基(ji)复(fu)合(he)材料(liao)产生细晶强(qiang)化，提高(gao)合金(jin)和(he)复(fu)合材(cai)料(liao)的热稳定性(xing)。Bermingham 等(deng)[62]在(zai)电(dian)弧增材制造过程(cheng)中向(xiang) Ti‒6Al‒4V 中(zhong)加入微量LaB6 和(he)硼(peng)，研究(jiu)其对(dui)合(he)金组(zu)织和(he)拉伸性能(neng)的(de)影响，发(fa)现(xian)镧(lan)的合金化(hua)极大地改(gai)变了(le)熔池的(de)形状和熔珠形(xing)状(zhuang)。Feng 等(deng)[63, 64] 通过(guo)激光(guang)熔(rong)覆设(she)备(bei)制(zhi)备(bei) LaB6+AlB2增(zeng)强 Ti‒6Al‒4V 钛基(ji)复(fu)合材料，其(qi)化(hua)学(xue)反(fan)应(ying)为(wei)2LaB6+12Ti+3O→12TiB+La2O3。研(yan)究发现，添加(jia)适(shi)量(liang)的 LaB6 可(ke)以(yi)生(sheng)成(cheng) La2O3 增(zeng)强(qiang)相，并在(zai)基(ji)体中均匀分布(bu)，同时 La2O3 促(cu)进(jin)了 TiB 的非均(jun)匀(yun)形核，使(shi) TiB 晶(jing)粒(li)细化，提(ti)高(gao)显(xian)微硬度(du)、耐磨(mo)性(xing)和抗(kang)高(gao)温(wen)氧(yang)化性，扩大其在高(gao)温(wen)航(hang)空航(hang)天(tian)领(ling)域(yu)的(de)应用。
为(wei)了满足(zu)航(hang)空(kong)航天(tian)等(deng)领(ling)域对(dui)结(jie)构(gou)件(jian)功(gong)能多(duo)样(yang)化的(de)要(yao)求，二维钛(tai)基功(gong)能梯(ti)度材料(liao)具有重要的应(ying)用前景(jing)。激(ji)光(guang)直(zhi)接(jie)沉(chen)积(ji)技术具有独特的逐层增材制(zhi)造(zao)特(te)性(xing)，是制备(bei)功能(neng)梯度(du)材料的(de)重(zhong)要工艺，可(ke)以打(da)印(yin)不(bu)同预(yu)混合比(bi)例(li)的 Ti/TiC 或(huo) TiB+TiC+α-Ti 周期(qi)性层(ceng)状(zhuang)结(jie)构(gou)，并(bing)且无(wu)离(li)散(san)界(jie)面。此(ci)外，增(zeng)材制造中的(de)成分(fen)梯度(du)对于建(jian)立钛(tai)–硼二(er)元体(ti)系涡轮叶片(pian)微观结构和性能的影响(xiang)具(ju)有重要意(yi)义，通过改变(bian)粉(fen)末(mo)成分(fen)和使(shi)用(yong)适(shi)当的(de) CAD 建模来控制(zhi)多(duo)层结构(gou)硬(ying)度，以(yi)此(ci)来(lai)扩大材料(liao)在(zai)航(hang)空(kong)航天和(he)汽车行(xing)业的(de)可能性[65]。但是，目(mu)前在(zai)直接(jie)激光(guang)沉积陶(tao)瓷颗(ke)粒增(zeng)强的(de)钛(tai)基(ji)功(gong)能(neng)梯度(du)材(cai)料微(wei)观组织中(zhong)仍(reng)存在(zai)未(wei)熔陶(tao)瓷(ci)颗(ke)粒分(fen)布不均匀、初生(sheng)增(zeng)强相(xiang)中(zhong)树(shu)枝状(zhuang)粗(cu)大、钛(tai)基(ji)体组(zu)织(zhi)较粗大(da)等问(wen)题(ti)，这(zhe)些问题限制(zhi)了(le)钛(tai)基功能(neng)梯(ti)度材(cai)料的综(zong)合力学(xue)性(xing)能，进(jin)一(yi)步地(di)限制(zhi)了(le)其(qi)工程(cheng)应用(yong)。Zhang 等[66] 采用不(bu)同比例的(de) Ti 和(he) TiC 预混合(he)粉(fen)体(ti)制(zhi)备(bei)薄壁，得(de)到(dao)了(le) TiC 体(ti)积分(fen)数最高达 40%的 Ti‒TiC 复合(he)材料，所有(you)激光(guang)沉积材料都是完(wan)全(quan)
致(zhi)密(mi)的(de)，没(mei)有(you)任(ren)何气(qi)孔(kong)或裂纹(wen)等缺(que)陷(xian)。Nartu 等(deng)[65]用激光工程(cheng)化净(jing)成形（laser engineered net shaping，LENS）工(gong)艺(yi)制备(bei)原(yuan)位(wei) Ti‒35%B4C（质(zhi)量(liang)分(fen)数(shu)）复合材(cai)料(liao)，其(qi)中(zhong)一(yi)层主要(yao)由 TiB2 和(he)枝晶(jing)间(jian) TiC 相组成(cheng)，而(er)另(ling)一层的(de)微(wei)观结构较为复杂，由 TiB、TiC、部分熔(rong)融 B4C 和 α-Ti 相组成。增加(jia)激光功率可(ke)使这些(xie)层的高(gao)度(du)/厚(hou)度增加(jia)，在激光(guang)功率(lv) 700 W 条件(jian)下(xia)表(biao)现(xian)出(chu)最(zui)好(hao)的(de)综(zong)合(he)磨(mo)损(sun)和(he)硬度，由于 TiB +TiC+α-Ti层(ceng)沉(chen)淀数(shu)密度(du)的增(zeng)加，使(shi)硬度(du)的(de)分(fen)层(ceng)区域增(zeng)加。这(zhe)种(zhong)同步(bu)送粉(fen)激(ji)光(guang)直(zhi)接(jie)沉(chen)积(ji)技术诱导(dao)的(de)自(zi)然(ran)分(fen)层(ceng)复(fu)合(he)材料(liao)为(wei)未来工(gong)程应(ying)用(yong)复(fu)合(he)材(cai)料(liao)的设(she)计和开(kai)发开(kai)辟了一条新的(de)途径(jing)。
4、总(zong)结(jie)与(yu)展(zhan)望
随(sui)着(zhe)我(wo)国(guo)科技(ji)创(chuang)新“三步走”战略(lve)布局(ju)和(he)航(hang)空(kong)航天工(gong)业(ye)的(de)发(fa)展，高温(wen)钛(tai)合(he)金领域被高度重视。高(gao)性(xing)能(neng)钛基(ji)复合(he)材(cai)料(liao)是高温钛(tai)合(he)金(jin)的进(jin)一(yi)步(bu)发展(zhan)方向(xiang)，其(qi)理(li)论(lun)使用(yong)温(wen)度可突破(po) 600 ℃，可(ke)以(yi)显(xian)著扩大(da)钛合(he)金的(de)应(ying)用范(fan)围，传(chuan)统(tong)制造方法在材(cai)料显(xian)微组织(zhi)、制(zhi)备技(ji)术(shu)及后(hou)处理等方面已(yi)经(jing)取得(de)较(jiao)多研(yan)究(jiu)成(cheng)果(guo)。随着(zhe)增材制(zhi)造(zao)技术在航(hang)空(kong)航(hang)天核心功(gong)能部(bu)件中(zhong)的应(ying)用(yong)，将原(yuan)位(wei)生(sheng)成(cheng)颗(ke)粒(li)增强钛基复(fu)合材(cai)料与(yu)增材(cai)制造(zao)技(ji)术(shu)相(xiang)结合(he)，制(zhi)备(bei)致(zhi)密化(hua)水平(ping)高、耐(nai)高(gao)温、高强(qiang)度的(de)复合(he)材料，研究(jiu)增强体的(de)种(zhong)类(lei)、形状尺(chi)寸、体(ti)积分(fen)数(shu)对粉(fen)体熔化(hua)凝固特(te)性(xing)影响(xiang)规(gui)律，使(shi)钛(tai)基中 TiB、TiC 增强(qiang)相达(da)到(dao)纳米级(ji)，不(bu)仅可以(yi)提高(gao)复(fu)合材料(liao)的硬(ying)度(du)和(he)强度，而且可以提高(gao)复(fu)合(he)材料的(de)延(yan)展性(xing)。
为进一(yi)步(bu)提高(gao)增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)技术(shu)在颗粒增(zeng)强(qiang)钛基复合材(cai)料(liao)中的(de)应(ying)用(yong)，可以从(cong)以(yi)下方(fang)面入(ru)手(shou)：研究(jiu)在(zai)增材制(zhi)造过程中(zhong)增强剂的溶(rong)解和反(fan)应、增强相析出反应及原位合成(cheng)机(ji)理(li)，并(bing)不(bu)断(duan)迭(die)代和(he)优(you)化(hua)复(fu)合(he)粉(fen)末的制备(bei)工艺，完(wan)成打印适(shi)配(pei)性验(yan)证(zheng)及力(li)学性(xing)能测试(shi)，以实现(xian)增(zeng)强(qiang)体(ti)与基体(ti)界(jie)面(mian)的(de)结合调控(kong)；可通过正交(jiao)试(shi)验(yan)和(he)数值模(mo)拟(ni)研(yan)究调(diao)控(kong)增(zeng)强相含(han)量，形(xing)成(cheng)颗粒增强(qiang)剂–基(ji)体成分配(pei)比(bi)–工艺参数(shu)–微(wei)观组(zu)织–力(li)学性能的(de)关(guan)联规(gui)律以(yi)便(bian)应(ying)用于不(bu)同性(xing)能(neng)要求(qiu)的场合(he)，同时(shi)获(huo)得(de)最佳(jia)的(de)综(zong)合性能(neng)。
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