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研究背景

TiBw增强钛基复合材料具有比强度高、比刚度高、高温耐久性好等优点，与普通钛合金相比，服役温度可以提高100～200°C，是一种最具应用潜力的高温金属结构材料。过度氧化会制约钛基复合材料的扩大应用，同时，氧扩散与固溶使钛基复合材料的微观组织发生显著变化，严重损害了钛基复合材料的加工性能。因此，研究钛基复合材料的高温氧化行为具有重要理论意义与工程应用价值。

本文亮点

图文解析

图1 (a) TMC1和(b) TMC2复合材料在不同温度下单位面积氧化增重曲线，(c) Ti55合金、TMC1和TMC2复合材料在980℃温度下单位面积氧化增重曲线

图2 Ti55合金、TMC1和TMC2复合材料在980℃温度下不同时间氧化后表层XRD图谱：(a) 1 min，(b) 3 min，(c) 10 min，(d) 图(a)局部放大

图3 TMC1复合材料在不同氧化温度和氧化时间下氧化物表面形貌

图4 TMC1复合材料在不同氧化温度和氧化时间下氧化层截面形貌

图5 TMC1复合材料在980℃、10 min条件下氧化后氧化层的次外层形貌与选区电子衍射

图6 (a)(b)Ti55合金和(c)(d)TMC1复合材料在980℃、10 min条件下氧化后极图与反极图

图7 TiBw/Ti55复合材料高温氧化时氧化层形成过程示意图

总结与展望

本工作研究了Ti55合金和TiBw/Ti55复合材料在960～1000℃下氧化行为，重点表征了氧化初期阶段的微观组织，阐明了高温氧化机理和TiBw对氧化行为的影响规律。得出以下结论：

(1)与Ti55合金、TMC2复合材料相比，TMC1复合材料的氧化增重、氧化物颗粒尺寸和氧化层厚度最小。TMC1复合材料在960～1000℃温度下氧化动力学遵循抛物线-线性规律，计算得到TMC1复合材料的Q、k₀、n值分别为191 kJ mol^-1、1.3×10⁸和1.27。

(2)氧先以扩散固溶方式在钛合金基体中形成低氧化物Ti₆O/Ti₃O，随后转变为稳定的氧化物TiO₂，TiBw加速了低氧化物的生成。

(3)Ti55合金和TiBw/Ti55复合材料的氧化层由外到内依次由TiO₂+Al₂O₃、TiO₂、Ti-Sn化合物、Ti₆O/Ti₃O组成，TiO₂层中含有ZrO₂、富Nd化合物和Si化合物。

(4)适量TiBw一方面细化了氧化物颗粒尺寸，另一方面使氧化物呈随机取向分布，特别是形成了更多利于孪生的(101)晶面，从而提高了TiBw/Ti55复合材料的抗氧化性能。

作者介绍

刘广宇(第一作者)

西北工业大学材料学院博士生，主要研究方向为金属基复合材料与镍基高温合金。发表论文3篇，申请国家发明专利4项。

李莲（通讯作者）

西北工业大学材料学院教授，博士生导师。主要从事金属基复合材料与智能成形研究，任中国复合材料学会金属基复合材料分会委员、《复合材料学报》首届青年编委、《塑性工程学报》首届青年编委等。获陕西省自然科学奖一等奖1项。承担国家重要基础研究项目、省部级基础研究和攻关项目7项，以第一/通讯作者在Comps B Eng, Acta Mater, J Mater Sci Technol等期刊上发表论文20余篇，获授权国家发明专利7项。

李淼泉（通讯作者）

西北工业大学材料学院教授，博士生导师。从事轻金属加工研究，任中国机械工程学会塑性工程分会常务理事、《锻压手册》（第四版）第一卷（锻造）副主编，《锻压手册》(第四版)-“有色合金锻造”篇主编，《中国机械工程技术路线图（2021-2035版）》编写委员会委员，《中国机械工程技术路线图（2021版）-难变形材料大型锻件整体成形技术》责任专家。获国家技术发明奖和国家科技进步奖2项，省部科技成果奖一等奖3项、二等奖6项，发表学术论文428篇，获授权国家发明专利36项，出版高等学校教材和学术专著6本；指导的毕业研究生5人获陕西省优秀博士学位论文。

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