文章介绍：

随着社会对能源效率和减排的需求日益增长，开发轻质、高性能的材料的需要也日渐迫切。Ti-6Al-4V（Ti64）是全世界使用最广泛的钛合金，具有出色的比强度、优异的耐腐蚀性和良好的疲劳性能。在航空航天和汽车工程领域，它作为一种关键结构材料，通常用于机身、发动机部件和起落架系统。由于其生物相容性，Ti64合金还广泛用于生物医学应用，包括骨科植入物和牙科修复体。尽管具有这些优势性能，但在极端工业条件下的应用仍面临挑战。例如，Ti64合金所能达到的强度仍然有限，远低于广泛用于制造承重部件（如飞机起落架）的高强度钢。此外，Ti64合金相对较低的耐磨性通常会导致在高摩擦条件下发生表面退化。

近年来，增材制造（俗称3D打印）已成为直接生产Ti64基部件的一种变革性方法。3D打印技术，如激光粉末床熔融和电子束熔融，能够直接制造使用传统制造方法难以实现或经济上不可行的复杂、轻质、近净成形部件，从而扩展了设计灵活性和功能集成性。通过3D打印制备的Ti64基钛基复合材料因其高比模量、较低的热膨胀和增强的耐磨性而引起了广泛兴趣。钛基复合材料在室温和高温下均能改善力学性能，将服役范围扩展100–200 °C，使其成为极端环境下高要求应用的理想选择。第二相颗粒通常用作增强体来强化3D打印Ti64钛基复合材料，其中多种机制（如Orowan强化机制、细晶强化机制和承载效应）协同作用。一种常见的增强相替代方案是使用活性元素氧化物，如Y₂O₃和La₂O₃。研究表明，激光粉末床熔融过程中的高温和快速凝固以及金属液熔池中的马兰戈尼流动可以在钛基复合材料中产生弥散分布的陶瓷增强体。然而，脆性和刚性增强体的添加通常会增加激光增材制造过程中产生微裂纹的风险，对可打印性产生负面影响并严重降低力学性能。此外，激光粉末床熔融固有的快速冷却速率显著超过了Ti64马氏体转变（β→α）的临界冷却速率（约410 K/s），导致高温β相通过无扩散、剪切主导的机制转变为α′马氏体。虽然α相和α′相具有相同的六方密堆积晶体结构，但α′的特点是过饱和固溶体（尤其是钒）、较高的位错密度和针状形貌。这些特征使得α′比平衡α相更硬、更强，但延展性较低。

除了活性元素氧化物之外，TiB₂由于具有高弹性模量以及与钛基体在密度和热膨胀系数方面的相容性，通常被选为钛基复合材料中的增强相。更重要的是，与其他陶瓷增强体（如Y₂O₃、La₂O₃、TiC或碳纳米管）不同，TiB₂可以在高温下通过原位反应TiB₂ + Ti → 2TiB转化为TiB晶须。除了作为形核位点细化晶粒外，所得的高强度、高刚度TiB晶须还作为主要的承载相，实现从钛基体到增强体的有效载荷转移，从而增强强化效果。虽然大量关于TiB₂增强钛基复合材料的研究采用商业纯钛作为基体材料，但最近越来越多的注意力转向通过激光粉末床熔融开发Ti64基复合材料。然而，以往的研究主要集中在硬度和抗压强度的提升上，而用于评估承重部件性能的关键力学性能，如拉伸行为和耐磨性，仍未得到充分研究。因此，通过激光粉末床熔融制备无裂纹且具有高力学性能的钛基复合材料块体是非常可取的。

基于这些认识，本研究旨在实现无裂纹的Ti64基钛基复合材料，并协同提高其力学性能。我们系统研究了纳米TiB₂含量对微观结构演变和力学性能的影响。我们证明，通过引入TiB₂纳米陶瓷，可以显著提高钛基复合材料的可打印性、抗拉强度和耐磨性，这归因于激光熔化过程中原位合成的TiB晶须与Ti64基体之间形成了强界面结合。在3D打印钛合金中利用TiB₂纳米陶瓷为成分和微观结构设计提供了一种新策略，这对于开发用于工程应用的高性能钛合金部件至关重要。

中文摘要：

钛合金是先进的轻质结构材料，在航空、航天、汽车和生物医学工程的许多关键应用中不可或缺。然而，提升其力学性能——特别是强度和耐磨性——仍是一项不懈的追求，这对于钛基承重部件的工程应用至关重要。在本工作中，我们采用激光粉末床熔融（一种3D打印技术），通过引入TiB₂纳米陶瓷，制备了无裂纹的Ti-6Al-4V钛基复合材料块体。3D打印的TiB₂/Ti64钛基复合材料块体的抗拉强度在不牺牲均匀延伸率的情况下得到了协同提升。值得注意的是，添加1 wt% TiB₂可使抗拉强度达到约1350 MPa，显著超过了采用其他类型增强体增强的钛基复合材料。除了通过异质形核促进晶粒和α′板条的细化外，原位合成的TiB晶须还作为主要的承载相，实现了从钛基体到增强相的有效载荷转移，从而增强了强度。此外，TiB晶须的存在有效抵抗了Ti64基钛基复合材料在磨损条件下的表面变形，降低了摩擦系数并显著提高了耐磨性。该创新策略为高性能钛合金部件的结构优化设计和先进制造提供了基础性指导。