近α高溫鈦合金是制造航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動部件的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，壓氣機(jī)盤或整體葉盤在峰值應(yīng)力處有一段保持時間，導(dǎo)致其疲勞壽命小于常規(guī)低周疲勞壽命，這種現(xiàn)象被稱為保載疲勞。在苛刻的工況下服役時，由保載載荷導(dǎo)致的(0001)基面斷裂是引起發(fā)動機(jī)核心材料失效的最主要原因，這對構(gòu)件的安全性帶來巨大隱患，歷史上曾造成多起機(jī)毀人亡事件。因此，保載疲勞失效分析以及如何提高保載壽命成為了航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。關(guān)于保載疲勞裂紋萌生主流的觀點(diǎn)主要包括軟/硬晶粒裂紋形核模型，硬晶粒被認(rèn)為很難發(fā)生變形，但在相鄰軟取向晶粒變形下可促進(jìn)硬晶粒中基面滑移的形成導(dǎo)致基面開裂。眾所周知，孿晶是一種可協(xié)調(diào)難變形硬取向晶粒的有效手段，但遺憾的是近α鈦合金在室溫下通常很難激活孿晶，到目前為止，未見國內(nèi)外有關(guān)近α鈦合金孿晶協(xié)調(diào)變形的報道。然而，我們首次在近α鈦合金保載失效裂紋萌生區(qū)發(fā)現(xiàn)基面斷裂晶粒中存在變形孿晶。由于保載變形的復(fù)雜性以及裂紋形核的基面傾向性，使得孿晶對基面滑移和裂紋萌生的微觀影響機(jī)制尚不明確。因此，揭示孿晶協(xié)調(diào)效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制對于航空轉(zhuǎn)動部件的抗保載疲勞設(shè)計具有重要意義。

近日，西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院曾衛(wèi)東教授團(tuán)隊(duì)與中科院金屬所王清江研究員團(tuán)隊(duì)合作，首次在變形孿晶罕見的高Al含量近α Ti60合金中發(fā)現(xiàn)保載載荷誘導(dǎo)孿晶優(yōu)先協(xié)調(diào)(0001)基面晶粒變形以及延緩由基面滑移引起的基面裂紋萌生和擴(kuò)展，提高了抗疲勞性?；诒］d疲勞軟/硬晶粒裂紋形核模型，提出了軟(P)/硬(B)晶粒PB界面參與孿晶形核的一種新的可能性機(jī)制。孿晶內(nèi)高密度的錐面< c+a >位錯及其分解形成的具有特定納米間距的基面堆垛層錯(SFTs)，使得協(xié)調(diào)過程伴隨著孿晶內(nèi)部顯著的晶格畸變。這些基面晶粒中新形成的納米孿晶界和SFTs作為位錯運(yùn)動的屏障，提高了近α Ti60合金的強(qiáng)度和保載壽命并有效降低了合金的保載敏感性。該研究結(jié)果擴(kuò)展了對近α鈦合金DF中位錯滑移、孿晶形核和基面SFTs形成的協(xié)同作用的理解，并強(qiáng)調(diào)了孿晶和SFT 的引入在減緩 DF 裂紋萌生和增強(qiáng)抗疲勞性方面起著重要作用。相關(guān)工作以 “Near-α titanium alloy dwell load-induced deformation twinning to coordinate the deformation mechanism associated with crack initiation”為題發(fā)表在塑性領(lǐng)域Top1期刊《International Journal of Plasticity》上，該工作的第一作者為西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院博士生王柏寧，通訊作者為曾衛(wèi)東教授。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.104116

圖1. no-MTR DF樣品萌生區(qū)G2晶粒FIB-TEM箔片: (a) TEM裂紋和小平面形貌，(b) EBSD BC圖和取向差，(c)和(d) 微裂紋區(qū)域的雙光束條件，(e)和(f) 與基體和孿晶相鄰位置處的雙光束條件。

圖2. SEM-EBSD IPF//LD (a-d)顯示了MTR樣品原位保載過程中{10-12}孿晶的形核長大，(e)和(f) 圖(d)中沿路徑Ⅰ和Ⅱ的取向差分布。

圖3. 具有不同微織構(gòu)的保載樣品中相對于LD裂紋萌生晶粒(a)和包含孿晶形核的晶粒取向(b)的反極圖。最大SF的等值線從左到右分別對應(yīng)于基面滑移系和柱面滑移系。

圖4. (a) 制備的FIB-TEM箔片形貌，(b) 對應(yīng)于(a)中黃色虛線框標(biāo)記區(qū)域中的孿晶界(TB)的SAED圖案，晶帶軸[2-1-10]，(c)和(d) 孿晶和基體的暗場像，(e) 在圖(d)中標(biāo)記的顯示TB HAADF-STEM圖像，(f) 在(e)中藍(lán)色虛線區(qū)域中HAADF-STEM的局部放大界面結(jié)構(gòu)， (g) 通過圖e HAADF-STEM圖像的GPA獲得的面內(nèi)(Exx)應(yīng)變場圖，(h) 圖c中孿晶尖端的HR-TEM，(I) 對應(yīng)于軟/硬晶粒柱面和基面的PB/BP界面的原子示意圖，(j) 在硬晶粒中具有孿晶形核的原子示意圖。

圖5. 孿晶和SFTs的HR-TEM微觀結(jié)構(gòu)：(a-b) HR-TEM圖像和相應(yīng)的FFT顯示了{(lán)10-12}孿晶中的SFTs，(b) 圖(a)中藍(lán)色虛線框的高倍放大圖像， (c) 圖(b)中的藍(lán)色虛線框?qū)?yīng)于(0002)基面IFFT圖像和位錯特征，(d) SFTs的原子尺度HAADF-STEM圖像，(e) 對應(yīng)于(d)中虛線框的GPA分析，(f) HAADF-STM圖像顯示了以1/6 <2023> Frank部分位錯為界的I1層錯。

本研究通過關(guān)注Ti60鈦合金保載疲勞(DF)斷裂源區(qū)變形孿晶存在的特征，系統(tǒng)研究了孿晶形核與裂紋萌生之間的關(guān)系及其變形機(jī)制，特別是，孿晶的存在是否有助于協(xié)調(diào)(0001)基面開裂并提高DF壽命。得出以下結(jié)論：DF裂紋的萌生面都與基面對齊，并與基面滑移有關(guān)。DF裂紋萌生取向和孿晶形核取向的相互依賴性決定了孿晶的優(yōu)先協(xié)調(diào)性以及參與基面裂紋萌生過程。在軟/硬晶粒構(gòu)型處的局部應(yīng)力狀態(tài)導(dǎo)致錐面< c+a >位錯激活以及孿晶從硬晶粒晶界處長大，而不是通過相鄰位錯的滑移刺激孿晶形核。同時，提出了軟(P)/硬(B)晶粒的PB界面是孿晶形核的另一種可能機(jī)制。與基體相比，變形孿晶具有更高的晶格應(yīng)變，其內(nèi)部的< c+a >位錯及其解離形成的高密度SFTs進(jìn)一步協(xié)調(diào)了變形并阻礙位錯運(yùn)動。變形孿晶的激活以及TB內(nèi)其他塑性變形機(jī)制的提供可以釋放局部應(yīng)力集中，延遲基面晶粒的過早開裂并阻止Ti60合金疲勞過程中基面裂紋的擴(kuò)展，該研究強(qiáng)調(diào)了孿晶結(jié)構(gòu)在材料疲勞失效預(yù)測模型中的重要性。

通訊作者簡介

曾衛(wèi)東：西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。先后主持和承擔(dān)了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家“973計劃”、國家自然科學(xué)基金、國家科技支撐計劃、教育部博士點(diǎn)基金、教育部優(yōu)秀人才計劃等科研項(xiàng)目。課題組在國內(nèi)首次提出鈦合金近β鍛造新工藝，獲得了將等軸與網(wǎng)籃組織合二為一的三態(tài)組織，榮獲國家科技進(jìn)步二等獎。此外，還榮獲陜西省科技進(jìn)步一等獎2項(xiàng)、二等獎1項(xiàng)，國家教委科技進(jìn)步二等獎、三等獎各1項(xiàng)。先后榮獲“教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才計劃”、“陜西省青年科技獎”、“陜西省高教系統(tǒng)優(yōu)秀青年教師共產(chǎn)黨員”稱號。在《Acta Materialia》、《International Journal of Plasticity》、《Journal of Materials Science & Technology》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Materials Science and Engineering A》等國內(nèi)外著名期刊上發(fā)表論文300余篇。