温度调控下TC4合金断裂韧性演化机制与微观断裂行为研究

《Materials Today Communications》：The analysis of fracture toughness and fracture mechanisms of TC4 alloy at different temperatures

本文针对航空航天用TC4钛合金在高温环境下的损伤容限设计需求，系统研究了双态组织TC4合金在不同温度（室温至250°C）下的断裂韧性演化规律。研究发现断裂韧性随温度升高从56 MPa·m1/2显著提升至93.1 MPa·m1/2，其本质源于α相滑移系激活诱发的塑性增强与裂纹路径迂曲度协同增韧机制，为高温结构件安全设计提供理论依据。

　　

在航空航天工业的尖端装备领域，材料的损伤容限性能直接决定了关键构件的使用寿命与安全性。作为现代航空发动机风扇盘、压气机盘等核心转动部件的首选材料，TC4（Ti-6Al-4V）钛合金因其优异的比强度和高温力学性能而备受青睐。然而，这些部件在服役过程中需承受极端离心应力与热载荷的耦合作用，任何潜在的裂纹扩展都可能引发灾难性后果。尽管学界对TC4合金室温断裂行为已有较多研究，但其在高温环境下的断裂韧性演化规律及微观机制仍缺乏系统认知，这成为制约高可靠性发动机设计的瓶颈问题。

为破解这一难题，中国航发湖南动力机械研究所的王颖团队在《Materials Today Communications》上发表论文，首次通过多尺度实验揭示了温度对双态组织TC4合金断裂韧性的强化机制。研究团队通过精密的热处理工艺调控，获得了包含27.8%等轴初生α相（α_p）和0.52μm厚次生α片层（α_s）的双态组织。随后在室温至250°C区间开展系列断裂韧性测试，结合扫描电镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和裂纹路径迂曲度定量分析，揭示了温度诱发塑性增韧的物理本质。

关键技术方法包括：采用光学显微镜与场发射扫描电镜进行微观结构表征；通过高温拉伸试验机测定不同温度下屈服强度（YS）、抗拉强度（UTS）等力学参数；使用疲劳试验机预制尖锐裂纹后开展平面应变断裂韧性（K_IC）测试；借助EBSD技术分析α相滑移系激活行为，并通过KAM（核平均误取向）图量化裂纹尖端塑性区尺寸。

3.1 拉伸性能与断裂韧性

随着温度从室温升至250°C，合金强度逐渐下降而塑性显著提升，断裂韧性呈现单调增长趋势。室温下K_IC为56 MPa·m^1/2，250°C时增至93.1 MPa·m^1/2，增幅达66%。这种韧性增强与α相临界分切应力（CRSS）的温度敏感性密切相关：高温促使非基面滑移系激活，显著提升了材料的固有塑性变形能力。

3.2 断口形貌

断口分析显示断裂模式随温度发生根本转变：室温断口呈现准解理特征，存在大量光滑小平面和少量韧窝；250°C时则完全转变为韧性断裂，出现尺寸深大的韧窝和撕裂棱。通过高倍SEM观察发现，室温下α_s片层呈现定向断裂的“α光子层”特征，而高温下因多滑移系协调变形，此类定向断裂特征消失。

3.3 裂纹扩展路径

裂纹路径迂曲度定量计算表明，250°C时的迂曲度（R=1.084）较100°C（R=1.016）显著提升。微观机制分析揭示：室温下裂纹仅在α_GB（晶界α）、α_p/α_p相界等界面处发生偏转；而在250°C时，由于锥面滑移和棱柱面滑移的协同激活，裂纹能在单个α_p晶粒或α_s片层簇内产生多次偏转，形成更曲折的扩展路径。

3.4 断裂机制分析

EBSD滑移迹线分析证实，室温下α相仅激活单个锥面滑移系，而250°C时同时激活棱柱面和锥面滑移系。KAM分析显示高温下裂纹尖端塑性区平均误取向角从0.58°增至0.8°，表明塑性变形更均匀分布。这种多滑移系激活不仅促进了裂纹分支和偏转，更通过扩大塑性区范围显著提升了裂纹扩展阻力。

本研究通过建立温度-滑移系激活-裂纹路径演化的关联规律，阐明了TC4合金高温断裂韧性增强的微观机制。研究发现温度升高通过降低非基面滑移的CRSS值，促使α相内多滑移系协同运作，从而同步提升了材料的固有塑性（内在增韧）和裂纹路径迂曲度（外在增韧）。这一机制为设计高温高损伤容限钛合金组件提供了关键理论支撑，对航空航天装备可靠性提升具有重要意义。值得注意的是，虽然界面诱导的裂纹偏转在所有温度下均存在，但高温下晶内多滑移主导的变形协调效应成为增韧的主要贡献者，这突破了传统界面工程的设计思路，为通过滑移系调控优化材料性能开辟了新途径。