分层裂纹诱导的多晶孪晶TiAl单晶的高裂纹扩展抗力

《Acta Materialia》：High crack propagation resistance of polysynthetic twinned TiAl single crystals induced by delamination cracks

　　

摘要

断裂韧性是评价材料抗裂纹扩展能力的关键参数，直接影响构件的服务安全性和可靠性。多主变体孪晶（PST）TiAl单晶在航空发动机叶片应用中展现出卓越的潜力，因此研究其断裂行为具有极高的必要性。本研究首次在室温至900°C范围内系统地研究了PST TiAl单晶的裂纹扩展行为和断裂机制。结果表明，断裂韧性表现出显著的取向依赖性：0°-II型 > 0°-I型 > 45° > 90°。对于0°-II型试样，断裂抵抗力的提升主要归因于分层增韧效应的激活。分层增韧源于垂直于主断裂面的γ/α₂界面处开裂，从而显著提高整体断裂抵抗力。在分层过程中，大量新界面的形成消耗了能量，有效地提高了能量释放率，使其对优异的断裂韧性有所贡献。同时，TWIP效应使层片束的变形更加均匀，防止局部缩颈导致的快速断裂，并增强了抗裂纹扩展能力。对于0°-I型试样，层片界面阻碍了裂纹扩展，使裂纹路径反复偏转，增加了裂纹扩展长度并耗散了大量裂纹扩展能量。此外，裂纹尖端出现TWIP效应，使裂纹尖端钝化，增加了裂纹扩展抵抗力。对于45°试样，裂纹扩展模式从I型转变为I/II混合模式。裂纹偏离divider方向，沿层片平面扩展，导致裂纹扩展抵抗力相对较低。在90°试样中，裂纹面平行于层片平面，裂纹得以快速扩展，裂纹扩展抵抗力最弱。

引言

研究裂纹扩展行为对于确保工程结构安全、优化材料设计和防止灾难性失效具有重要意义[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]]。自20世纪50年代以来，研究人员已对裂纹尖端应力场中的裂纹扩展行为进行了系统研究，特别是针对高强度结构材料，因为通常存在强度与韧性之间的权衡，即高强度往往以牺牲韧性为代价[[13], [14], [15], [16]]。这种固有矛盾对结构材料的安全服役构成潜在风险，因此裂纹扩展行为研究成为高强度材料领域的研究热点。

传统的增韧机制，如裂纹偏转、裂纹分支和韧带桥接，通过调节裂纹尖端的局部应力场来降低裂纹扩展的局部驱动力[[17], [18], [19], [20], [21], [22], [23]]。近年来，提出了一些新的增韧机制，包括孪晶增韧[[24], [25], [26], [27]]、分层增韧[[28], [29], [30]]和相变增韧[[31], [32], [33]]等。例如，在多主元高熵合金中，变形诱导纳米孪晶可以有效释放裂纹尖端的应力集中并诱导裂纹尖端钝化[26,34]。在超高强马氏体钢中，激活分层裂纹与相变诱导塑性（TRIP）机制协同作用，可实现优异的韧性[28]。然而，这些机制的有效性在很大程度上取决于其具体的成分和微观结构。例如，高熵合金中的多组分成分为纳米孪晶的均匀形核提供了有利条件，而马氏体钢的层状特征则有利于分层裂纹的形成和扩展。对于本质上是脆性的TiAl金属间化合物[[35], [36], [37], [38], [39]]，由于其低晶对称性、有限的滑移系和弱的晶界，很难直接移植或有效激活上述新的增韧机制。尽管裂纹偏转和剪切带形成等传统机制在一定程度上可以提高韧性，但仍然难以突破室温断裂韧性普遍低于20 MPa·m^1/2的现状[[40], [41], [42], [43]]。2016年，我们课题组通过定向热处理技术获得了高性能的PST TiAl单晶[[44], [45], [46], [47]]。该材料的室温断裂韧性优于目前所有可用的TiAl多晶材料[48]。此外，其微观结构在高温下可以激活显著的孪晶诱导塑性（TWIP）效应[49,50]和分层能力，理论上为提升高温断裂韧性提供了潜力。然而，TWIP效应与分层增韧耦合机制对裂纹扩展行为的影响仍有待深入探索。更重要的是，PST TiAl单晶的显著各向异性导致裂纹扩展行为具有强烈的取向依赖性。裂纹路径、扩展抵抗力和断裂模式随层片取向的变化而显著不同。因此，系统地揭示裂纹扩展性能与层片取向之间的关联及其内在断裂机制，对于推动PST TiAl单晶在涡轮叶片等关键部件中的应用至关重要。

在本研究中，我们首次在室温至900°C范围内系统地研究了PST TiAl单晶的断裂韧性和裂纹扩展行为。结果表明，PST TiAl单晶的裂纹扩展性能表现出强烈的各向异性依赖特征。当应力轴平行于层片方向时（包括divider和arrester两种取向），在高温范围内观察到显著增强的裂纹扩展抵抗力。断裂抵抗力的提升主要归因于分层增韧效应的激活、界面对裂纹的偏转作用以及TWIP效应。随着应力轴与层片界面之间夹角的逐渐增大，裂纹扩展路径逐渐与层片平面趋于一致，导致断裂阻力降低。这一现象与在这些取向条件下层片微观结构内部解理断裂模式的占主导地位的强相关性密切相关。

章节摘要

实验方法

PST TiAl单晶采用定向凝固法制备，具体方法参照我们之前的研究。图1展示了压缩拉伸（CT）试样的几何尺寸以及不同层片取向试样的示意图。试样的厚度B为7.6 mm，宽度W为15.2 mm，初始缺口长度a₀为6.3 mm。为了形成狭窄且尖锐的裂纹，在0~150的伺服液压载荷下进行了疲劳预裂纹处理

未变形微观结构

图2展示了初始PST TiAl单晶的典型微观结构。EBSD分析（图2a-d）揭示了微观结构主要由层片状α₂（Ti₃Al）相和γ（TiAl）相组成，定量相分数约为18% α₂和82% γ。TEM观察（图2e）显示层片通常较薄，表明界面密度较高。图2e中的插入SAED花样标识界面法线方向为<011>或<110>γ。γ-γ的HRTEM图像

讨论

我们基于断裂的能量准则[94]解释层片取向对裂纹扩展行为的影响。$G_C$是能量释放率（裂纹驱动力），$R_0$是固有抵抗力。当$G_C>R_0$时，裂纹将扩展；当$G_C<R_0$时，裂纹将回缩。$R_0$的计算公式为式(6)：$$R_0=2\left({\gamma }_s+{\gamma }_p\right)$$其中${\gamma }_s$是比表面能，${\gamma }_p$是产生单位面积新表面所需的塑性功。

因此，产生

结论

本研究通过断裂韧性测试系统地研究了PST TiAl单晶在室温至900°C范围内的裂纹扩展行为。结果表明，PST TiAl单晶的断裂韧性表现出显著的取向依赖性，其排序为0°-II型 > 0°-I型 > 45° > 90°。0°-I型PST TiAl单晶的增韧机制为裂纹钝化和偏转。裂纹钝化通过TWIP效应和裂纹前方微裂纹扩展来吸收能量。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

作者贡献声明

LEI Yuan：撰写——原稿撰写。CHEN Yang：撰写——审阅与编辑。QI ZhiXiang：撰写——审阅与编辑。CHEN Guang：撰写——审阅与编辑、经费获取。

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