中文摘要：

作为过渡金属碳化物，WC具有多级分解特性，对于其在高活性合金熔池中的界面反应起到重要作用。前期研究发现，当固态WC颗粒与液态Ti发生界面反应时，形成了薄且致密的WC/W2C/W/TiC/Ti多层复合结构界面，在钛合金熔池中表现出自抑制分解行为。本项目将通过研究WC在不同凝固速度钛合金熔池中的分解行为和多层复合结构界面的形成条件，阐明界面反应诱导WC多级分解对WC/Ti界面反应的影响规律，分析WC在钛合金熔池中的自抑制分解行为对界面反应控制的作用。在此基础上，进一步研究WC/W2C/W/TiC/Ti多层复合结构界面的多相共生生长行为，揭示WC/Ti多层复合结构界面的形成机理。本研究将为WC/Ti界面结构控制及优化提供理论依据。

结论摘要：

在钛基复合材料制备过程中增强颗粒容易分解，并且与Ti发生化学反应，形成脆硬的化合物，对性能不利。如何控制增强相的过度分解、获得理想的金属-陶瓷界面一直是复合材料领域的研究重点。项目组前期研究发现，过渡金属碳化物WC具有多级分解特性，在高活性钛合金熔池中能够形成薄且致密的WC/W2C/W/TiC/Ti多层复合结构界面，能够阻碍WC分解，使其在钛合金熔池中表现出自抑制分解行为。本项目先后采用具有快速凝固特征的铜板冷却电弧堆焊和激光熔注实验，以及具有缓慢凝固特征的真空电弧熔炼实验，研究了WC在不同凝固速度钛合金熔池中的分解行为和多层复合结构界面的形成条件。利用SEM、TEM、HRTEM、HAADF、In Situ SEM原位拉伸等电子显微技术分析了WC/Ti界面微观结构以及失效行为。研究了WC多级分解对WC/Ti界面反应的影响规律，揭示了WC自抑制分解行为和WC/Ti多层复合结构界面的形成机理。研究结果进一步证实了WC的自抑制分解行为，在快速凝固钛合金熔池中WC均形成了致密的W2C/W/TiC多层复合结构界面。界面中反应层形成顺序为TiC＞W2C＞W，反应层之间不存在取向关系。TiC层首先形成，由于熔池冷却速度快，大量晶核瞬间在WC表面形成一层致密的TiC层。反应层W2C由WC反应诱导的相变产生。W2C内部因晶格膨胀导致孪生变形，破坏了WC/W2C共格界面，这一结果进一步澄清了WCp/Ti界面反应存在的争议问题。W2C低温时脱碳形成W，此时极快的冷却速度（3650 K/s）和极短的停留时间（＜120 ms）使得W具有很高的形核率，且来不及长大，瞬间形成了大量的纳米W。W被TiC层阻挡，在W2C/TiC界面处富集，进而形成了连续的纳米W层。项目组在多层复合结构界面研究的基础上，进一步优化了界面结构，控制了界面脆性化合物层TiC的形成，研究获得了突破，在界面彻底消除了TiC层，成功实现WC陶瓷与Ti金属以纳米W固溶这种最优的方式结合。In Situ SEM原位拉伸结果证实了这种新型纳米界面具有很高的界面结合强度，复合材料强度提高近一倍（从原来的470MPa增加到920MPa），应变提高十倍（从0.55%增加到5.5%）。本项目研究加深了对WC/Ti界面反应的理解，新型纳米界面的发现为金属-陶瓷异种材料界面问题研究以及复合材料制备均具有重要意义。