钛基复合材料凭借高比强度、优异耐高温性能，在航空航天、高端装备领域拥有巨大应用潜力。但陶瓷增强相带来的固有脆性难题长期制约其发展：传统制备工艺很难同时兼顾构件近净成形、增强体微观构型可控、强塑性同步提升三大目标。传统固相粉末冶金工艺制备网络结构TiBw增强钛基复合材料，后续大塑性变形极易造成TiBw晶须断裂，破坏增强相结构完整性；而熔融类增材制造技术，增强相形貌、分布高度受熔池流动与凝固过程支配，微观组织属于被动生成，难以实现预先定制的异质构型设计。两类工艺都很难同步完成复杂构件成形与增强体拓扑的主动调控。
针对上述问题，薄板结构制造研究所何霁副教授课题组创新开发“卫星结构粉末冷喷涂预制+约束热压反应致密化”的协同成形策略，为钛基复合材料难以塑性成形的问题提供了新路径。研究成果以“Near-net-shape hybrid manufacturing of titanium-matrix composites with tunable TiBw architectures and enhanced strength-ductility synergy”为题，发表在International Journal of Machine Tools and Manufacture上。博士生张凌宇和何霁副教授为论文共同第一作者，何霁副教授、李淑慧教授和香港理工大学傅铭旺教授为共同通讯作者。罗国虎副教授、胡永祥教授、李永兵教授和林忠钦院士为合作者。
冷喷涂—热压工艺协同完成增强相构型调控与构件近净成形
研究团队首先制备Ti—TiB2卫星结构复合粉末，把细小TiB2陶瓷颗粒锚定于钛颗粒表面。冷喷涂过程中，钛颗粒在高速撞击下发生塑性变形，在逐层构筑曲面薄壁预制件的同时，利用金属颗粒在增强相形成前的可变形性，将分布于钛粉周围的TiB2前驱体排布成可调控的扁平椭球状网络。再通过约束热压，触发Ti与TiB2原位固相反应，将预制坯转化为致密的TiBw增强钛基复合材料。
揭示高速碰撞过程中Ti-TiB2复合材料粉末的结合机制
通过卫星结构复合粉末实现陶瓷前驱体随金属载体共同沉积，其冲击结合行为是前驱体构型稳定构筑的基础。借助激光诱导颗粒冲击测试（LIPIT），团队首次直接解析了卫星结构粉末的撞击结合行为，研究发现：表面附着TiB2陶瓷的复合粉末临界结合速度较纯钛降低约40 m/s。机理分析表明，制粉过程中TiB2对钛粉表面氧化层的局部预破坏增强了复合材料粉末在冷喷涂过程中的结合。除了在粉末侧壁发生和纯金属类似的绝热剪切结合之外，在粉末底部额外激活了一条压力辅助界面结合路径。这一发现为通过粉末表面预处理来改善冷喷涂沉积结合，以及开发临界结合速度更低的冷喷涂原料粉末提供实验与机制依据。
增强相构型调控实现TiBw/Ti复合材料强度与塑性协同提升
增大冷喷涂载气压力改变钛粉末的撞击变形程度可以提高富TiBw硬区网络的扁平度，大幅增加软硬区界面含量，强化异质变形效果。优化试样的抗拉强度超过673MPa，均匀延伸率达到15%；在相同增强相含量下，其强度与韧性比传统粉末冶金获得的等轴网状材料分别相对提升了约10%和40%。在微观变形机制研究中，采用了研究团队自主研发的Adaptive Non-Local Neural DIC framework技术（发表在International Journal of Plasticity），对钛基复合材料内部TiBw富集硬区与钛基体软区的应变分配行为、微剪切带演化过程实现了亚微米级分辨率的定量表征。这些结果将加工参数改变构型、构型调节局部变形、局部协同改善整体强塑响应联系起来，为通过成形工艺设计复合材料的力学行为提供了依据。
曲面薄壁钛基复合构件近净成形
研究团队进一步制造多组曲面薄壁样件开展工艺验证。成形构件各位置孔隙率不高于0.006 %，壁厚保真度大于95 %，在保证构件宏观几何精度的同时实现近完全致密，证实该复合路线面向薄壁复杂构件的近净成形能力。这使增强相构型设计与曲面薄壁近净成形在同一工艺路线中衔接了起来。
该工作建立起“制备工艺—微观构型—变形行为—力学性能”完整关联，不仅为钛基复合材料构件提供新的制造范式，也对铝基、镁基等其他异质结构金属基复合材料的组织调控提供重要借鉴，有望推动高性能钛基复合材料薄壁零部件在航空装备等领域的工程应用。
研究工作得到国家自然科学基金和新材料国家科技重大专项的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2026.104457
相关论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2026.104848
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