钛基复合材料可通过引入增强相有效改善基体的耐磨性和综合力学性能,特别是TiB增强相具有与钛接近的密度和热膨胀系数,可减小热加工过程中的残余应力,避免因温度变化产生裂纹。因此,TiB增强钛基复合材料在钛领域受到广泛关注。粉末冶金制备技术在钛基复合材料成分设计、近终成形、组织调控方面有独特优势,然而钛对氧敏感,临界固溶氧含量低,导致粉末冶金钛制品低氧控制较难,不易实现低温全致密。此外,增强相的引入也会影响复合材料的室温塑性,导致使役性能不理想。虽然目前已采用放电等离子烧结、热等静压等技术提升性能,但会造成生产成本大幅增加,与粉末冶金低成本初衷相背离。为此,本研究采用可工业化生产的技术路线,采用真空无压烧结结合热变形调控,实现了高性能原位自生TiB增强钛基复合材料的低成本制备,系统研究了不同增强相前驱物（ZrB2、CaB6）的引入对钛基复合材料组织物相、室温力学性能和耐磨性的影响规律。依托于本团队的微细低氧钛粉末制备技术,选择低氧高活性HDHTC4细粉为基体原料,以硼粉作为增强相前驱物,在1150℃真空烧结获得原位自生TiB增强钛基复合材料,轧制后样品的氧含量在2200ppm左右,低于ASTM B988-13标准中对粉末冶金TC4合金的规定,轧制态TC4-0.1B抗拉强度为1021.2MPa,延伸率可达10.3%,但当进一步增加硼粉含量以提高强度时,在断口内观察到硼的硬质颗粒。因此,需要寻找提升基体强度的方法及合适的硼源。控制氧含量一直是粉末冶金钛制品的研究热点,然而有研究通过添加TiO2制备出延伸率大于20%的高强纯钛材料,这为提高钛基复合材料的基体强度提供了新思路。考虑到锆、钛元素性质接近,存在连续互溶区,基于此本论文制备了 Ti-xZrO2系列样品,在1100℃烧结120 min后样品的致密度超过99%,Zr、O固溶到钛基体中,而Zr元素可降低钛的相变温度,在一定程度上可以促进钛粉末的烧结致密化。轧制产生的细小再结晶晶粒提高了材料整体变形的能力,大幅度提高材料延展性。Ti-0.5ZrO2的等效氧含量约为0.54%,其延伸率为28%,抗拉强度为736.8 MPa,显示出优异的综合性能。Ti-1.5ZrO2（等效氧含量为0.7654wt.%）的延伸率达到9%,其室温力学性能与ASTMB988中TC4性能相当。对应用最广泛的TC4基体也进行了类似研究,轧制态TC4-0.75ZrO2的抗拉强度达到1180.2 MPa,延伸率7.3%,此时等效氧含量0.5895 wt.%。上述结果为高性能纯钛基、钛合金基复合材料的研究奠定基础,也降低了粉末冶金钛制品对氧的控制难度。针对增强相阻碍钛粉接触,低温烧结致密度低的问题,利用Zr元素可促进烧结致密化的作用,向钛粉中添加前驱物ZrB2,烧结时ZrB2与基体反应原位合成TiB短纤维限制晶粒长大,锆原子取代晶格中钛原子的位置形成固溶体,并促进烧结。轧制后Ti-xZrB2复合材料的平均晶粒尺寸基本在20μm以下,Ti-2.0ZrB2与纯钛相比晶粒尺寸减少了 65.5%,15 μm以下的晶粒约占52%。高细晶比例显著改善了复合材料的室温延展性,Ti-2.0ZrB2延伸率高达21.4%。与已报道的其他硼源相比,添加少量ZrB2即可得到更高强度的钛基复合材料,展现出更好的综合力学性能。计算发现,轧制产生的位错亚结构强化在强度增量中占主导位置。进一步地,探索了添加ZrB2制备强塑性匹配TC4基复合材料的可行性,轧制态TC4-2.0ZrB2的抗拉强度为1153.6 MPa,但延伸率仅4.3%,无法进一步提高增强相含量,改善其耐磨性和硬度,需减少固溶原子含量,特别是间隙固溶氧原子,以提升材料室温延展性。为此,选择CaB6作为增强相前驱物进行TC4基复合材料的制备,既可以避免引入外来固溶原子,钙元素还可与钛基体发生固氧反应,从而原位生成微米级三元钙氧化物和TiB增强相,少量钙元素的引入所带来的固氧作用可显著改善复合材料的室温延展性,且强度也有所提升,轧制态TC4-0.1CaB6、TC4-0.2CaB6样品的延伸率均超过10%,抗拉强度在1150 MPa左右,TC4-0.5CaB6样品仍显示出1227.2 MPa的强度及8.5%的延伸率,综合性能较优,这为3500 ppm以上高氧HDHTC4粉的低值化应用问题提供了解决办法。同时研究了高TiB含量的TC4基复合材料的硬度和室温耐磨性,TC4-12 wt.%TiB的抗拉强度可达1327.6MPa,延伸率2.8%,硬度42.5 HRC,磨损率5.07 × 10-13 m3/（N·m）,与传统铸锭冶金TC4相比降低了 33.6%,具有优异的耐磨性。