混合TiB/TiC增强钛基复合材料高温疲劳裂纹扩展行为中的视觉现象与深度机制解析

本研究针对钛基复合材料(TMCs)在高温振动环境下的服役可靠性问题，通过等温锻造制备混合TiB/TiC增强TMCs，系统研究了不同应力强度因子幅值(ΔK)下增强相对疲劳裂纹扩展(FCG)的影响机制，揭示了裂纹尖端纳米α变体选择规律。研究发现TiB短纤维和TiC颗粒通过裂纹偏转、粗糙度诱导裂纹闭合(RICC)和微裂纹屏蔽效应，使高ΔK下的疲劳裂纹扩展速率(FCGR)较基体合金降低38%，同时阐明了位错驱动的α变体选择对FCGR的抑制作用，为极端工况下TMCs性能优化提供了理论支撑。

　　

在航空航天、能源装备等高端领域，钛基复合材料(TMCs)因其优异的比强度和高温性能成为关键结构材料。然而，高温振动环境下疲劳裂纹扩展(FCG)行为的不确定性严重制约其工程应用。传统研究多聚焦室温性能，但高温环境下热-力耦合效应会引发塑性变形、氧化及微观组织演变等复杂现象，导致疲劳裂纹扩展速率(FCGR)预测困难。尤其对于混合增强型TMCs，TiB短纤维与TiC颗粒的协同作用机制尚不明确，且裂纹尖端纳米α相的变体选择对FCG的影响仍是未解之谜。

中国工程物理研究院机械制造工艺研究所的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表研究，通过等温锻造制备含6 vol.% TiB和2 vol.% TiC的Ti6Al4V复合材料，采用电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)等技术，系统分析了450℃下不同ΔK值的FCG行为。研究发现：随着ΔK增加，裂纹尖端塑性区(CTPZ)扩大，但TiB/TiC通过诱导裂纹偏转产生粗糙度诱导裂纹闭合(RICC)和微裂纹屏蔽效应，使高ΔK下的FCGR较基体合金降低38%；同时，位错和自催化效应促使β相中析出多种纳米α变体，这些变体通过改变裂纹路径进一步抑制FCG。该研究首次揭示了混合增强相与纳米α变体协同调控高温FCG的机制，为TMCs在极端环境下的可靠性设计提供了新思路。

关键技术方法包括：1) 通过真空自耗电弧熔炼实现TiB/TiC的原位反应合成；2) 采用等温锻造优化增强相分布；3) 使用电子万能试验机进行450℃高温疲劳试验；4) 结合EBSD和TEM分析裂纹尖端微观组织演变；5) 基于局部取向差分析(Local misorientation)量化塑性变形。

【FCGR of Ti6Al4V and TMCs at 450℃】

通过Paris公式拟合发现，当ΔK>15 MPa·m^1/2时，TMCs的FCGR显著低于基体合金。断口分析显示TiB/TiC通过三种机制抑制裂纹扩展：裂纹偏转增加扩展路径、断裂面粗糙度提升闭合效应、微裂纹分散主裂纹尖端应力。

【Effect mechanism of TiB and TiC on crack deflection】

循环塑性区尺寸计算表明，TiB/TiC通过几何约束效应改变局部应力场。EBSD证实裂纹在TiB处发生55°-85°偏转，TiC颗粒则引发微裂纹分支，二者协同使有效ΔK降低21%。

【Nano-α variants selection at crack tip】

TEM分析发现裂纹尖端存在边缘位错(Edge dislocation)和螺位错(Screw dislocation)诱导的α变体集群。根据Burgers取向关系，{0001}_α//{110}_β和<1120>_α//<111>_β的变体选择呈现张力-压缩不对称性，自催化效应促使变体交叉生长形成能量耗散结构。

结论表明，混合TiB/TiC增强通过多尺度协同机制提升TMCs高温抗疲劳性能：宏观上通过RICC和微裂纹屏蔽降低FCGR；微观上借助位错调控α变体选择优化裂纹扩展路径。该研究不仅完善了TMCs疲劳理论体系，更通过建立"增强相-位错-α变体-FCGR"的定量关系，为开发新一代耐高温复合材料提供了设计准则。值得注意的是，研究中发现的纳米α变体自组织现象，为理解相变与力学环境的耦合作用开辟了新视角。