钛基复合材料具有优异的比强度与高温力学性能，在航空航天领域的中高温工况有巨大的应用潜力，是发展先进航空飞机的关键材料。然而钛元素在高温氧化条件下易形成疏松氧化膜，钛基复合材料的抗高温氧化能力不足而成为其应用的屏障。因此，提高钛基复合材料的抗氧化性能是发展高性能航空材料的迫切需求。一般认为，钛基复合材料中的TiB晶须或TiC颗粒等增强相难以有效提高其抗氧化性能；而TiAl/Ti2AlNb等耐氧化钛合金由于合金元素含量高而生成脆性金属间化合物相，其室温与高温塑韧性差而不适合用于钛基复合材料的基体材料，钛基复合材料抗氧化性能的改善成为当前研究中的难题。

图1 Ti6Al4V合金的疏松氧化膜及其开裂现象

西安交通大学的高义民教授团队提出了以钛硅碳三元陶瓷为前驱体制备原位陶瓷颗粒增强钛基复合材料的新方法，借助硅元素在钛基复合材料基体中的微合金化，显著提高了钛基复合材料氧化膜的致密性及其抗氧化性能。研究工作较为全面的阐明了微量硅元素(约0.64wt.%)对钛基复合材料抗氧化性能的改善机制：1）硅元素固溶于钛合金基体中，能够提高钛元素的氧化反应激活能，从而降低其氧化反应速率1）硅氧化形成的非晶态二氧化硅具有流动性能，在氧化过程中填充氧化膜中的孔隙，显著提高其致密度；2）氧化膜致密度的提高能够有效抑制氧的内扩散从而诱导氧化物向外定向生长，降低氧化膜的生长应力并提高氧化膜与复合材料的结合强度，进一步提高了氧化膜对复合材料的保护作用。所制备钛基复合材料在800°C大气环境下氧化2h的氧化增重为0.65 mg/cm²，与未固溶硅元素的基体钛合金相比降低了42%；800°C氧化100h的氧化增重为13.7mg/cm²，与基体钛合金相比降低了63%。

图2 固溶硅元素提高了钛元素的氧化激活能与发生快速氧化反应的温度

图3固溶硅元素提高了复合材料氧化膜致密度及结合强度.

(a) Ti6Al4V合金; (b)钛基复合材料

该研究工作为耐氧化高强钛基复合材料的设计与制备提供了一定的理论基础与指导作用，研究成果分别以“Effect of Si element on improving the oxidation resistance of hybrid (Ti₅Si₃+ TiC) particles reinforced Ti6Al4V matrix composites”与“New insight on mechanisms of Si element improving the oxidation resistance of titanium matrix composites”为题发表在腐蚀领域顶刊《Corrosion Science》（181 (2021) 109235与191 (2021) 109733），材料学院博士生黄孝余为论文第一作者，高义民教授为论文的通讯作者。该研究工作得到了广东省重点领域研发计划（GUIKEAA18242001）等项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2021.109235

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2021.109733