航空级Ti-6Al-4V合金高温保载下α相中螺位错择优形成机制及其对热缓解效应的揭示

本研究针对Ti-6Al-4V合金在高温保载疲劳中位错演化机制不明确的问题，通过分析α/α晶界和α/β界面位错发射阵列，发现螺位错通过直接发射或发射后特征转变优先形成，并伴随交叉滑移行为。该结果揭示了热缓解效应的位错层面机制，为优化航空发动机材料性能提供关键理论依据。

　　

钛合金因其高比强度和耐腐蚀性被广泛应用于航空发动机压气机叶片等关键部件，然而在低应力高温保载（Dwell Fatigue）条件下，这类材料会出现意外的疲劳寿命下降现象，被称为“保载疲劳效应”。这一现象长期困扰航空航天工程师，因其可能导致部件过早失效。近年研究发现，高温环境反而能缓解这种效应，但其中微观机制尚未明确。究其根源，位错作为塑性变形的基本载体，其在保载过程中的演化行为成为理解这一问题的关键。

为揭示Ti-6Al-4V合金在高温保载期间位错结构的演化规律，来自澳大利亚迪肯大学前沿材料研究所的Pavel Cizek等人开展了系统研究。他们采用透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）对经过300°C高温、96%屈服应力短时保载拉伸后的样品进行位错阵列分析，重点关注α相（六方密排结构）中从α/α晶界和α/β相界面（体心立方结构）发射的位错特征。该研究成果发表于《Materials Characterization》期刊，为理解钛合金热缓解效应提供了直接的位错层面证据。

研究主要依托透射电镜（TEM）进行微观结构表征，样品来源于经300°C高温保载拉伸处理后的航空级Ti-6Al-4V合金。通过分析位错线方向和柏氏矢量（Burgers Vector）确定位错类型和滑移系，并结合Schmid因子评估滑移系的激活倾向。

位错发射源与类型偏好

研究表明，α/α晶界和α/β界面是保载加载过程中主要的位错发射源。TEM观察发现，这些边界处发射的位错存在系统性偏好：螺位错（Screw Dislocation）要么在发射后通过位错线逐渐转变为螺型特征，要么直接以螺型位错形式发射。前者转变后常发生交叉滑移（Cross Slip）脱离原发射面；后者则以连续形成的扩展位错环形式出现，其中包含长而直的螺型段，平行于迁移方向。

发射面与滑移系特征

位错发射阵列的滑移面及对应柏氏矢量分析表明，激活的滑移系包括棱柱面滑移（Prismatic Glide）、一级锥面滑移（1^st Order Pyramidal Glide）和二级锥面滑移（2^nd Order Pyramidal Glide），且这些滑移系的激活高度遵循Schmid因子规律。部分位错从非理性面（Irrational Planes）发射，但能通过交叉滑移转移到高Schmid因子的滑移面上运动。

局域条件的主导作用

位错发射特征受发射点周围局域条件的显著影响。微观应力场、界面取向和相邻相约束共同决定了位错类型、发射面以及后续的交叉滑移行为。

本研究证实高温保载过程中Ti-6Al-4V合金α相内位错发射具有显著的螺位错偏好性，且伴随频繁的交叉滑移行为。这一机制促进了位错在晶内更均匀分布，从而缓解局部应力集中，这可能是高温环境下保载疲劳效应得以缓解的重要原因。该发现不仅深化了对钛合金高温变形机制的理解，更为设计抗保载疲劳高性能钛合金提供了理论指导。