近α高溫鈦合金是制造航空發動機轉動部件的關鍵結構材料，壓氣機盤或整體葉盤在峰值應力處有一段保持時間，導致其疲勞壽命小于常規低周疲勞壽命，這種現象被稱為保載疲勞。在苛刻的工況下服役時，由保載載荷導致的(0001)基面斷裂是引起發動機核心材料失效的最主要原因，這對構件的安全性帶來巨大隱患，歷史上曾造成多起機毀人亡事件。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動機領域的研究熱點。關于保載疲勞裂紋萌生主流的觀點主要包括軟/硬晶粒裂紋形核模型，硬晶粒被認為很難發生變形，但在相鄰軟取向晶粒變形下可促進硬晶粒中基面滑移的形成導致基面開裂。眾所周知，孿晶是一種可協調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，未見國內外有關近α鈦合金孿晶協調變形的報道。然而，我們首次在近α鈦合金保載失效裂紋萌生區發現基面斷裂晶粒中存在變形孿晶。由于保載變形的復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制尚不明確。因此，揭示孿晶協調效應的內在機制對于航空轉動部件的抗保載疲勞設計具有重要意義。

近日，西北工業大學材料學院曾衛東教授團隊與中科院金屬所王清江研究員團隊合作，首次在變形孿晶罕見的高Al含量近α Ti60合金中發現保載載荷誘導孿晶優先協調(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制。孿晶內高密度的錐面< 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)，使得協調過程伴隨著孿晶內部顯著的晶格畸變。這些基面晶粒中新形成的納米孿晶界和SFTs作為位錯運動的屏障，提高了近α Ti60合金的強度和保載壽命并有效降低了合金的保載敏感性。該研究結果擴展了對近α鈦合金DF中位錯滑移、孿晶形核和基面SFTs形成的協同作用的理解，并強調了孿晶和SFT 的引入在減緩 DF 裂紋萌生和增強抗疲勞性方面起著重要作用。相關工作以 “Near-α titanium alloy dwell load-induced deformation twinning to coordinate the deformation mechanism associated with crack initiation”為題發表在塑性領域Top1期刊《International Journal of Plasticity》上，該工作的第一作者為西北工業大學材料學院博士生王柏寧，通訊作者為曾衛東教授。

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

圖1. no-MTR DF樣品萌生區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) 對應于(a)中黃色虛線框標記區域中的孿晶界(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)中標記的顯示TB HAADF-STEM圖像，(f) 在(e)中藍色虛線區域中HAADF-STEM的局部放大界面結構， (g) 通過圖e HAADF-STEM圖像的GPA獲得的面內(Exx)應變場圖，(h) 圖c中孿晶尖端的HR-TEM，(I) 對應于軟/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微觀結構：(a-b) HR-TEM圖像和相應的FFT顯示了{10-12}孿晶中的SFTs，(b) 圖(a)中藍色虛線框的高倍放大圖像， (c) 圖(b)中的藍色虛線框對應于(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。

本研究通過關注Ti60鈦合金保載疲勞(DF)斷裂源區變形孿晶存在的特征，系統研究了孿晶形核與裂紋萌生之間的關系及其變形機制，特別是，孿晶的存在是否有助于協調(0001)基面開裂并提高DF壽命。得出以下結論：DF裂紋的萌生面都與基面對齊，并與基面滑移有關。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先協調性以及參與基面裂紋萌生過程。在軟/硬晶粒構型處的局部應力狀態導致錐面< 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制。與基體相比，變形孿晶具有更高的晶格應變，其內部的< c+a >位錯及其解離形成的高密度SFTs進一步協調了變形并阻礙位錯運動。變形孿晶的激活以及TB內其他塑性變形機制的提供可以釋放局部應力集中，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展，該研究強調了孿晶結構在材料疲勞失效預測模型中的重要性。

通訊作者簡介

曾衛東：西北工業大學材料學院教授、博士生導師。先后主持和承擔了國家重點研發計劃、國家“973計劃”、國家自然科學基金、國家科技支撐計劃、教育部博士點基金、教育部優秀人才計劃等科研項目。課題組在國內首次提出鈦合金近β鍛造新工藝，獲得了將等軸與網籃組織合二為一的三態組織，榮獲國家科技進步二等獎。此外，還榮獲陜西省科技進步一等獎2項、二等獎1項，國家教委科技進步二等獎、三等獎各1項。先后榮獲“教育部新世紀優秀人才計劃”、“陜西省青年科技獎”、“陜西省高教系統優秀青年教師共產黨員”稱號。在《Acta Materialia》、《International Journal of Plasticity》、《Journal of Materials Science & Technology》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Materials Science and Engineering A》等國內外著名期刊上發表論文300余篇。