论文标题：Research Progress on Microstructure, Mechanical Properties, and Strengthening Mechanisms of In Situ-Synthesized Ceramic-Reinforced Titanium Matrix Composite Coatings via Laser Cladding

论文链接：https://doi.org/10.3390/coatings15070815

期刊名：Coatings

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/coatings

研究背景：

钛及其合金凭借低密度、高比强度、优异耐腐蚀性与生物相容性，已成为航空航天、生物医用、海洋工程及石油化工领域的关键材料。然而，其低硬度导致的耐磨性 、耐疲劳性不足、复杂环境中耐腐蚀性衰减，严重限制了其在严苛工况下的应用。传统表面改性技术（如热喷涂、物理气相沉积等）常面临涂层与基体结合强度低、热膨胀不兼容等问题，而激光熔覆作为高效先进的表面改性技术，凭借近绝热快速熔凝特性，可实现涂层与基体的冶金结合，且能精准调控涂层微观结构。其中，原位合成陶瓷增强钛基复合涂层更是突破了异质陶瓷颗粒与钛基体界面结合弱的瓶颈，通过钛与陶瓷相的原位反应，显著提升涂层综合性能，成为当前表面工程领域的研究热点。

东北大学机械工程与自动化学院项顶顶副教授团队，在 MDPI《Coatings》期刊发表题为 “Research Progress on Microstructure, Mechanical Properties, and Strengthening Mechanisms of In Situ-Synthesized Ceramic-Reinforced Titanium Matrix Composite Coatings via Laser Cladding” 的综述论文，系统综述了在钛构件表面通过LC技术原位合成陶瓷增强钛基复合涂层的制备工艺、相组织转变及力学性能，并重点归纳了强化机制；此外，还深入探讨了该技术当前面临的挑战及未来发展前景。

研究主要内容：

在介绍了钛基复合涂层与激光熔覆技术的研究现状的基础上，文章详细地展开了对激光熔覆原位合成陶瓷增强钛基复合涂层的总结。首先，对钛基复合涂层的常见通用强化机制进行了总结，包括固溶强化、第二相强化、细晶强化、载荷传递强化等，并统计了常见的强化方程；随后，按照添加的陶瓷种类对涂层进行了分类，包括TiC、TiB、TiN、TiC/TiB、TiB/TiN、Ti5Si3/TiN、Ti5Si3/TiC等；根据以上分类，依据相图对相应涂层的相组织转变进行详细的总结分析，并总结归纳了相应涂层的力学性能，介绍了不同类别涂层所特有的强化机制（这些数据还通过表格的形式呈现）。最后，文章还介绍了其它有潜力的陶瓷增强钛基复合涂层，并探讨了钛基复合涂层进一步发展所面临的挑战及未来发展的前景。

在阐述钛基复合涂层与激光熔覆技术的研究现状之后，本文对激光熔覆原位合成陶瓷增强钛基复合涂层展开了细致且系统的总结。首先，归纳了钛基复合涂层常见的通用强化机制，包括固溶强化、第二相强化、细晶强化、载荷传递强化等，并对典型的强化方程进行了统计；接着，按照所添加陶瓷相的种类，将涂层划分为TiC-、TiB-、TiN-、TiC/TiB-、TiB/TiN-、Ti5Si3/TiN-、Ti5Si3/TiC-钛基复合涂层等类别；基于上述分类，结合相图对相应涂层的相组织转变进行了总结，并归纳了力学性能，还介绍了不同类别涂层所独有的强化机制（相关数据以表格形式直观呈现）。最后，本文对其他具有发展潜力的陶瓷增强钛基复合涂层进行了介绍，并探讨了钛基复合涂层后续发展面临的挑战以及未来的发展前景。

挑战与展望

研究显示原位合成的陶瓷相与钛基体形成良好的冶金结合，使复合材料在硬度、强度、耐磨性、耐腐蚀性等方面显著提升，且在生物相容性、抗氧化性、高温性能等方面展现潜力。尽管激光技术在该领域取得一定进展，但仍需应对核心挑战、探索新方向。

1.技术发展滞后：激光熔覆原位合成陶瓷增强钛基复合涂层的发展落后于激光增材制造原位合成陶瓷增强钛基复合材料。涂层技术应当从加工工艺、工艺参数、成分设计、性能优化等方面充分借鉴材料成型技术。

2.增强相研究不足：部分具有发展潜力的增强相组合研究关注度与深度不足，有望进一步探究。同时进一步研究多元陶瓷相与稀土、金属间化合物的协同增强作用，可以丰富陶瓷增强复合体系。

3.环境适应性研究欠缺：现有研究多聚焦于在一般环境下材料的硬度、拉伸性能、耐磨性能等常规性能的研究，缺少对复杂体液环境、极端温度环境、高压环境、高热流环境等特殊工作环境下的性能探索。

4.工艺优化方式传统：当前工艺参数优化及成分设计仍依赖试错法以及传统的参数最优化方法，难以实现动态调控。未来需结合人工智能与机器学习，构建“工艺参数-微观组织-性能”的实时预测模型，并通过数字孪生技术模拟熔池流动、相变及应力演化过程，实现产品的高可靠性精准控制。

5.强化机制评估不完整：不同强化机制的权重评估尚不完善，需结合材料科学与界面工程深入研究，阐明强化机制并建立评估理论，指导高性能材料设计。

6.跨学科整合不足：涂层领域缺乏充分的跨学科合作。例如通过应用 “材料基因组计划（MGI）” 加速涂层材料设计、结合环境科学开发绿色涂层、应用传感器技术对人工关节等骨科植入物进行实时监测等。

研究亮点：

1.研究案例丰富：文章不仅收集了激光熔覆原位合成陶瓷增强钛基复合涂层的案例，还借鉴了其它激光技术原位合成的陶瓷增强钛基复合涂层或材料，同时通过图表将数据可视化，进而全面地发掘并总结了不同研究之间的一致性与差异性。

2.研究内容全面：基于丰富的研究案例，研究内容涵盖所有常见的原位合成陶瓷增强钛基复合涂层，并对这些涂层的相组织、力学性能、强化机制进行了全面的总结。

图文赏析：

原位合成陶瓷增强TMCCs的分类及其增强机理

TiC增强TMCCs的相变示意图