近α高温钛合金是制造航空发动机转动部件的关键结构材料，压气机盘或整体叶盘在峰值应力处有一段保持时间，导致其疲劳寿命小于常规低周疲劳寿命，这种现象被称为保载疲劳。在苛刻的工况下服役时，由保载载荷导致的(0001)基面断裂是引起发动机核心材料失效的最主要原因，这对构件的安全性带来巨大隐患，历史上曾造成多起机毁人亡事件。因此，保载疲劳失效分析以及如何提高保载寿命成为了航空发动机领域的研究热点。关于保载疲劳裂纹萌生主流的观点主要包括软/硬晶粒裂纹形核模型，硬晶粒被认为很难发生变形，但在相邻软取向晶粒变形下可促进硬晶粒中基面滑移的形成导致基面开裂。众所周知，孪晶是一种可协调难变形硬取向晶粒的有效手段，但遗憾的是近α钛合金在室温下通常很难激活孪晶，到目前为止，未见国内外有关近α钛合金孪晶协调变形的报道。然而，我们首次在近α钛合金保载失效裂纹萌生区发现基面断裂晶粒中存在变形孪晶。由于保载变形的复杂性以及裂纹形核的基面倾向性，使得孪晶对基面滑移和裂纹萌生的微观影响机制尚不明确。因此，揭示孪晶协调效应的内在机制对于航空转动部件的抗保载疲劳设计具有重要意义。

近日，西北工业大学材料学院曾卫东教授团队与中科院金属所王清江研究员团队合作，首次在变形孪晶罕见的高Al含量近α Ti60合金中发现保载载荷诱导孪晶优先协调(0001)基面晶粒变形以及延缓由基面滑移引起的基面裂纹萌生和扩展，提高了抗疲劳性。基于保载疲劳软/硬晶粒裂纹形核模型，提出了软(P)/硬(B)晶粒PB界面参与孪晶形核的一种新的可能性机制。孪晶内高密度的锥面< c+a >位错及其分解形成的具有特定纳米间距的基面堆垛层错(SFTs)，使得协调过程伴随着孪晶内部显著的晶格畸变。这些基面晶粒中新形成的纳米孪晶界和SFTs作为位错运动的屏障，提高了近α Ti60合金的强度和保载寿命并有效降低了合金的保载敏感性。该研究结果扩展了对近α钛合金DF中位错滑移、孪晶形核和基面SFTs形成的协同作用的理解，并强调了孪晶和SFT 的引入在减缓 DF 裂纹萌生和增强抗疲劳性方面起着重要作用。相关工作以 “Near-α titanium alloy dwell load-induced deformation twinning to coordinate the deformation mechanism associated with crack initiation”为题发表在塑性领域Top1期刊《International Journal of Plasticity》上，该工作的第一作者为西北工业大学材料学院博士生王柏宁，通讯作者为曾卫东教授。

论文链接：

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

图1. no-MTR DF样品萌生区G2晶粒FIB-TEM箔片: (a) TEM裂纹和小平面形貌，(b) EBSD BC图和取向差，(c)和(d) 微裂纹区域的双光束条件，(e)和(f) 与基体和孪晶相邻位置处的双光束条件。

图2. SEM-EBSD IPF//LD (a-d)显示了MTR样品原位保载过程中{10-12}孪晶的形核长大，(e)和(f) 图(d)中沿路径Ⅰ和Ⅱ的取向差分布。

图3. 具有不同微织构的保载样品中相对于LD裂纹萌生晶粒(a)和包含孪晶形核的晶粒取向(b)的反极图。最大SF的等值线从左到右分别对应于基面滑移系和柱面滑移系。

图4. (a) 制备的FIB-TEM箔片形貌，(b) 对应于(a)中黄色虚线框标记区域中的孪晶界(TB)的SAED图案，晶带轴[2-1-10]，(c)和(d) 孪晶和基体的暗场像，(e) 在图(d)中标记的显示TB HAADF-STEM图像，(f) 在(e)中蓝色虚线区域中HAADF-STEM的局部放大界面结构， (g) 通过图e HAADF-STEM图像的GPA获得的面内(Exx)应变场图，(h) 图c中孪晶尖端的HR-TEM，(I) 对应于软/硬晶粒柱面和基面的PB/BP界面的原子示意图，(j) 在硬晶粒中具有孪晶形核的原子示意图。

图5. 孪晶和SFTs的HR-TEM微观结构：(a-b) HR-TEM图像和相应的FFT显示了{10-12}孪晶中的SFTs，(b) 图(a)中蓝色虚线框的高倍放大图像， (c) 图(b)中的蓝色虚线框对应于(0002)基面IFFT图像和位错特征，(d) SFTs的原子尺度HAADF-STEM图像，(e) 对应于(d)中虚线框的GPA分析，(f) HAADF-STM图像显示了以1/6 <2023> Frank部分位错为界的I1层错。

本研究通过关注Ti60钛合金保载疲劳(DF)断裂源区变形孪晶存在的特征，系统研究了孪晶形核与裂纹萌生之间的关系及其变形机制，特别是，孪晶的存在是否有助于协调(0001)基面开裂并提高DF寿命。得出以下结论：DF裂纹的萌生面都与基面对齐，并与基面滑移有关。DF裂纹萌生取向和孪晶形核取向的相互依赖性决定了孪晶的优先协调性以及参与基面裂纹萌生过程。在软/硬晶粒构型处的局部应力状态导致锥面< c+a >位错激活以及孪晶从硬晶粒晶界处长大，而不是通过相邻位错的滑移刺激孪晶形核。同时，提出了软(P)/硬(B)晶粒的PB界面是孪晶形核的另一种可能机制。与基体相比，变形孪晶具有更高的晶格应变，其内部的< c+a >位错及其解离形成的高密度SFTs进一步协调了变形并阻碍位错运动。变形孪晶的激活以及TB内其他塑性变形机制的提供可以释放局部应力集中，延迟基面晶粒的过早开裂并阻止Ti60合金疲劳过程中基面裂纹的扩展，该研究强调了孪晶结构在材料疲劳失效预测模型中的重要性。

通讯作者简介

曾卫东：西北工业大学材料学院教授、博士生导师。先后主持和承担了国家重点研发计划、国家“973计划”、国家自然科学基金、国家科技支撑计划、教育部博士点基金、教育部优秀人才计划等科研项目。课题组在国内首次提出钛合金近β锻造新工艺，获得了将等轴与网篮组织合二为一的三态组织，荣获国家科技进步二等奖。此外，还荣获陕西省科技进步一等奖2项、二等奖1项，国家教委科技进步二等奖、三等奖各1项。先后荣获“教育部新世纪优秀人才计划”、“陕西省青年科技奖”、“陕西省高教系统优秀青年教师共产党员”称号。在《Acta Materialia》、《International Journal of Plasticity》、《Journal of Materials Science & Technology》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Materials Science and Engineering A》等国内外著名期刊上发表论文300余篇。