不同应力比下线性摩擦焊异种Ti60/Ti17接头的高周疲劳行为与滑移诱导失效机制

《International Journal of Fatigue》：High-cycle fatigue behavior and slip-induced failure mechanism of linear friction welded dissimilar Ti60/Ti17 joint under different stress ratios

　　

摘要

本文研究了不同应力比（R = ?1、0.1、0.3和0.5）下异种Ti60/Ti17线性摩擦焊接（LFW）对接接头的高周疲劳（HCF）行为及滑移诱导失效机制。在10⁷次循环下，疲劳强度随应力比增加从176.1 MPa单调下降至79.9 MPa。尽管LFW接头存在显著的微观组织非均匀性，疲劳失效主要局部发生在强度较弱的Ti60基体中，从而将其确定为疲劳临界区域。随着应力比增大，主导裂纹萌生模式由表面转向亚表面晶面，两者均与基面滑移诱导初生α晶粒的穿晶解理有关。更重要的是，研究揭示了一种涉及滑移传递和循环动态回复的界面保护机制，该机制降低了界面裂纹开裂的倾向，并促进循环塑性变形在基面滑移带内局部化。基于定量的晶面特征，通过将有组织的晶面尺寸和平均应力效应引入解析断裂力学模型，建立了疲劳寿命预测框架。此外，通过将断裂力学约束与数据驱动学习相结合，开发了物理引导的深神经网络（PG-DNN），在独立验证子集上实现了可靠的寿命预测，R² = 0.96。这些发现为异种钛合金LFW接头在非对称循环载荷下的疲劳评估和寿命预测提供了力学基础。

引言

钛合金因其高比强度、优异的耐高温性能和良好的抗疲劳性能，被广泛应用于关键航空部件[1]，特别是先进航空发动机压气机转子[2]。为实现更高的推重比和结构效率，双性能整体叶盘（blisk）的设计应运而生[3]。在这种构型中，盘区工作在相对较低的温度但承受极端离心应力，需要具有优异强度、抗疲劳性和损伤容限的材料，如Ti17合金[4]。相比之下，叶区暴露于更高温度下，因此需要优良的耐高温强度、热稳定性和抗蠕变性能，如Ti60合金[5]。线性摩擦焊（LFW）是一种成熟的固相连接技术，用于制造航空发动机钛合金整体叶盘[2]。由于其能够在不产生熔化相关缺陷的情况下生产高完整性接头[6]，LFW已被广泛用于异种钛合金的双性能或整体叶盘相关应用[7]，[8]。因此，Ti60/Ti17 LFW接头通过匹配叶区和盘区的不同服役要求，成为双性能整体叶盘的一种前景材料组合。

服役期间，压气机转子承受叠加在离心应力上的高频振动载荷，导致非对称循环应力状态和典型的高周疲劳（HCF）条件[9]。对于异种钛合金LFW接头，两种合金之间化学成分、相组成和微观组织的差异不可避免地引入了焊接接头处微观组织非均匀性和力学性能不匹配[10]。在循环载荷下，这种非均匀性可能促进局部应力集中，使疲劳损伤演化强烈依赖于局部微观组织特征。Rajan等人[11]表明，在Ti64/Ti6242 LFW接头中可以形成高质量冶金结合，因此疲劳失效优先发生在基体中最弱的微观组织区域而非焊接界面处。Guo等人[12]报告，Ti17（α + β）/Ti17（β）LFW接头中的HCF失效与热影响区HAZ-（α + β）中等轴α相和亚稳β相之间的界面开裂有关，其中α/β界面处的位错累积促进了微裂纹的形成。这些研究表明，异种钛合金LFW接头的疲劳失效机制受局部微观组织不匹配、变形不协调和界面相关损伤的强烈影响。对于Ti60/Ti17 LFW接头，我们此前的研究表明拉伸断裂优先发生在Ti60-BM而非焊接区域[10]，这表明应将Ti60-BM视为潜在的疲劳临界区域。在该区域中，相对粗大的等轴初生α晶粒可提供较长的滑移路径，并在循环载荷下促进局部晶体学滑移[13]。随着滑移逐步累积，局部应力集中可能沿滑移带促进微裂纹形核，导致断面上形成特征性的晶体学晶面[14]，[15]。因此，阐明Ti60/Ti17 LFW接头的疲劳失效机制需要综合考虑非均匀接头构型和初生α晶粒滑移控制的裂纹萌生行为。

在此类非对称循环载荷条件下，异种钛合金LFW接头的疲劳响应受局部微观组织损伤演化和平均应力效应共同影响，使得建立疲劳失效机制与宏观寿命预测之间的力学联系具有挑战性。传统的平均应力修正模型[16]可以描述平均应力的宏观影响，但它们主要基于经验关系，缺乏与微观组织演化的直接物理联系，这限制了其在非均匀LFW接头中的适用性。近年来关于钛合金的研究通过将裂纹萌生机制、平均应力效应、连续损伤力学方法或数据增强机器学习方法相结合，改进了疲劳寿命预测[5]，[17]，[18]，[19]。然而，这些方法主要针对整体钛合金或相对均匀体系建立，而异种焊接接头涉及微观组织非均匀性、力学性能不匹配和多种裂纹萌生模式。因此，异种钛合金LFW接头的疲劳寿命预测仍需要一个将局部微观组织依赖的损伤演化与平均应力依赖的疲劳行为耦合起来的框架。

基于上述考虑，本研究系统研究了四种应力比（R = ?1、0.1、0.3和0.5）下异种Ti60/Ti17 LFW接头的高周疲劳行为。通过详细的断口分析和微观组织表征，明确了裂纹萌生行为与应力比之间的关系，并确定了与α晶粒晶面形成相关的滑移诱导裂纹萌生机制。此外，通过将解析断裂力学建模与物理引导的深神经网络（PG-DNN）相结合，建立了混合疲劳寿命预测框架。该方法实现了微观组织晶面特征与宏观平均应力效应的定量耦合。本研究的结果为先进航空发动机整体叶盘的结构完整性设计和疲劳评估提供了基于力学机制的依据。

章节摘要

材料与方法

基体材料（BM）为锻制Ti60（Ti-5.8Al-4.0Sn-4.0Zr-0.7Nb-1.5Ta-0.4Si-0.06C）和Ti17（Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr）钛合金。两种钛合金的名义化学成分详见表1。金相试样使用从600到2000目的SiC砂纸进行机械研磨。然后用0.25 μm氧化物抛光悬浮液（OP-S，Struers）抛光60分钟，再用0.02 μm胶体二氧化硅悬浮液（OP-U，Struers）抛光30分钟以获得

焊缝区微观组织分析

图3(a)展示了WCZ的SEM形貌。在Ti60侧，原始Ti60-BM微观组织主要由等轴α_p晶粒、层状α_s相和晶界β相组成，在Ti60-WCZ中被转变为交错的篮筐编织状形貌。在摩擦阶段，局部峰值温度超过了β转变温度[22]。随后的快速冷却，与相对较高的导热率和有限的β稳定化元素含量有关

不同应力比下滑移诱导的疲劳裂纹萌生机制

基于前述断口分析，Ti60/Ti17 LFW接头中的疲劳失效主要与α晶粒中滑移诱导的晶面萌生有关。为进一步阐明滑移局部化的作用，进行了纵向截面SEM观察，如图10所示，补充材料中的图S4提供了更多案例。在局部萌生区，裂纹路径周围观察到相对稀疏的滑移带，且与其近乎平行

结论

研究了不同应力比下异种Ti60/Ti17 LFW接头的高周疲劳行为。主要结论总结如下：

• 1)
  由于WAZ中针状α相的强化作用，疲劳失效几乎完全发生在强度较弱的Ti60-BM中。裂纹萌生从R = ?1时的严格表面起源转变为正应力比下以亚表面萌生为主。在大多数情况下，萌生区以解理晶面为主导，晶界萌生极为罕见。

作者贡献声明（CRediT）

徐天：初稿撰写、方法学、调查研究、正式分析、数据整理。邱慧伟：验证、调查研究。黄文涛：验证、调查研究。宋诗雨：验证、调查研究。何德龙：资源支持、方法学。陈尧：监督、项目管理、方法学。王冲：资源支持、项目管理。白金波：资源支持、方法学。刘富林：审稿与编辑、监督、资源支持、方法学、资助获取。刘永杰：

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究受国家自然科学基金资助（项目编号：12402224、12572093和12332012）。我们衷心感谢哈尔滨焊接研究所有限公司为LFW工艺专利（CN202210236170.4）的应用所提供的支持。感谢四川大学建筑与环境学院夏子源女士提供的实验技术协助。

徐天|邱慧伟|黄文涛|宋诗雨|何德龙|陈尧|王冲|白金波|刘富林|刘永杰|王庆远

四川省失效力学与工程灾害防控重点实验室，四川大学，成都 610207，中国