南京航空航天大学材料科学与技术学院的Jiahao Zhang、Leilei Wang等作者与上海航天设备制造总厂有限公司合作，于2025年在《Additive Manufacturing》期刊（Volume 109, 104885）发表了题为《Non-uniform deformation response of Ti6Al4V/TiC functionally graded material under different composition gradient designs by direct energy deposition》的研究论文。该研究通过激光定向能量沉积（Laser Direct Energy Deposition, L-DED）技术制备了三种不同成分梯度设计的Ti6Al4V/TiC功能梯度材料（Functionally Graded Material, FGM），系统探究了梯度构型对材料非均匀变形响应及断裂机制的影响。
学术背景
Ti6Al4V钛合金因其高比强度和耐腐蚀性广泛应用于航空航天领域，但其硬度较低且高温性能不足。功能梯度材料（FGM）通过连续调节成分与微观结构，可缓解异质材料间的热应力失配问题。金属/陶瓷FGM结合了陶瓷的高硬度、耐热性与金属的韧性，但陶瓷颗粒的空间梯度分布会导致复杂的变形行为。传统线性梯度设计难以兼顾表面功能性与内部力学性能的优化，因此本研究提出基于幂律分布的非线性梯度设计策略，旨在通过调控TiC质量分数（0%~30%）的过渡模式（凸函数、线性、凹函数），实现强度与塑性的协同提升。
研究流程
材料制备与梯度设计
- 粉末处理：采用球磨法混合Ti6Al4V（平均粒径95.7 μm）与TiC（96.6 μm）粉末，通过双送粉系统实时调控成分梯度。
- 梯度模型：基于幂律函数（( m_{TiC} = 0.3(z/L)^k )）设计三种梯度路径：凸函数（k=0.5）、线性（k=1）、凹函数（k=2），每层梯度增量5 wt%，共沉积49层。
- 工艺参数：激光功率1400 W，扫描速度10 mm/s，层厚1.0 mm，保护气氛防止氧化。
微观结构表征
- SEM与EBSD分析：观察不同梯度层的TiC形貌（未熔颗粒、枝晶、共晶）及α/β-Ti相分布，统计未熔TiC体积分数（梯度A中层24达10.4%，梯度C仅4.2%）。
- TEM界面分析：揭示TiC与α-Ti的取向关系（[110]TiC//[11-20]α-Ti），证实界面无脆性相，且位错在α/β层状结构中富集。
- XRD相变研究：α-Ti衍射峰向高角度偏移，表明碳固溶引起晶格畸变。
力学性能测试
- 横向拉伸：沿沉积高度取样（层5/15/25/35/45），梯度C中层25抗拉强度达1202 MPa，延伸率3.58%，优于梯度A（层5强度1209 MPa但延伸率仅2.39%）。
- 纵向拉伸与DIC原位观测：梯度C的强度（1040 MPa）和延伸率（1.63%）最高，应变分布呈波浪形非均匀梯度，低梯度层通过局部化带缓解高梯度层应力集中。
- 断裂形貌：高梯度区以脆性断裂为主，未熔TiC颗粒为裂纹源；低梯度区呈现韧窝特征。
热冲击与烧蚀实验
- 800℃循环热冲击60次后，梯度C无裂纹，而梯度A/B出现表面开裂。氧-乙炔烧蚀测试显示所有梯度样品表面TiC层均有效保护基体，烧蚀率接近零。
主要结果与逻辑关系
- 梯度协同强化机制：凹函数梯度（k=2）通过延迟陶瓷含量增长，减少未熔TiC数量（层12仅0.95%），同时促进更多区域发生塑性变形，实现应变再分配。
- 断裂力学分析：双积分方程求解应力强度因子（SIF）表明，k=2时裂纹尖端SIF最低，与实验观测的断裂延迟现象一致。
- 热-力性能平衡：表面30 wt% TiC保障耐热性，内部梯度优化提升力学性能，如梯度C的纵向延伸率较梯度A提高213%。
结论与价值
该研究证实非线性成分梯度设计可调控Ti6Al4V/TiC FGM的变形与断裂行为：
1. 科学价值：揭示了梯度构型-微观结构-力学性能的关联机制，提出“梯度协同强化”理论，为多材料体系设计提供新思路。
2. 应用价值：凹函数梯度（k=2）适用于航天热防护部件（如再入飞行器壳体），兼具表面抗烧蚀性与内部高韧性。
研究亮点
- 方法创新：首次结合幂律梯度设计、DIC原位应变分析与双积分断裂力学模型，建立“工艺-结构-性能”全链条研究框架。
- 发现创新：发现应变波浪分布现象及低梯度层的应力缓冲作用，为FGM非均匀变形理论提供实验依据。
- 工程意义：突破传统线性梯度局限，证明非线性设计在增材制造中的可行性，推动定制化FGM在极端环境中的应用。
其他价值
- 跨学科融合：集成材料科学（相变机理）、力学（SIF计算）与热学（烧蚀行为）多维度分析。
- 工业标准参考：为ASTM F2924等均质材料标准不适用于FGM的问题提供解决方案，倡导应用导向的性能分区设计理念。
（注：全文约2400字，涵盖研究全貌及细节，符合学术报告规范。）