💡这项突破是什么?
中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室研究团队在高温钛合金超高周疲劳损伤机理研究中取得进展，相关成果发表在国际期刊Journal of Materials Science & Technology上。
航空发动机是飞机的核心部件，其性能直接决定了飞机的运载能力、航程、寿命和可靠性。钛合金因具有比强度高、耐腐蚀性好等优点，被广泛应用于制造航空发动机的风扇、压气机盘件及叶片等关键部件。在航空发动机服役过程中，这些关键部件承受着高频次的循环载荷作用，其疲劳损伤及断裂是威胁航空发动机服役安全的重要因素。尤其是对于发动机转子叶片等关键部件，其振动频率通常在kHz量级，失效循环周次在109以上（即超高周疲劳）。近年来，钛合金超高周疲劳失效的相关研究已成为国内外航空材料疲劳研究领域关注的热点问题。
然而，现有的相关研究大多集中在室温或较低温度（约300℃以下）。对于航空发动机压气机后几级叶片等关键部件用钛合金，其服役温度可达400℃及以上，当前学界对相应温度下钛合金超高周疲劳损伤机理的认识仍有不足。此外，航空发动机叶片等关键部件在服役过程中可能引入微小缺陷（如外来物冲击等造成的微小缺口），而当前关于高温与微小缺陷复合作用下钛合金超高周疲劳行为的研究仍较为缺乏。
针对该问题，力学所非线性力学国家重点实验室的研究人员通过超声疲劳实验方法，系统研究了TC17钛合金在室温和400℃条件下的超高周疲劳行为，并探讨了微小表面缺陷（微小半球形缺口，半径约100 μm，深度约50 μm）对疲劳性能的影响。
研究人员发现：在室温和400℃条件下，光滑试样（无人工预制缺陷）疲劳失效均萌生于试样内部；而在400℃条件下，含有微小表面缺陷的试样疲劳失效可萌生于表面也可萌生于内部，二者之间存在竞争关系。表面裂纹萌生的主导机制有两种：一是微小缺陷底部富氧α相发生脆性断裂；二是微小缺陷底部氧化物脱落形成新的表面缺口。内部裂纹萌生的主导机制则是试样内部（亚表面）富氧α相发生脆性断裂。相关结果如图1-3所示。
图2 400℃光滑试样(σa=520 MPa, R=-1, Nf=1.0×106)疲劳断口粗糙区域微结构观测结果. a: SEM图像, 短线为提取位置. b: a中位置b沿主应力方向剖面SEM观测结果. c-e: a中位置c沿主应力方向剖面的反极图、相图和TEM图片. f和g: 分别为e中区域1的暗场像和区域2的放大图.
图3 400℃时TC17钛合金表面裂纹萌生和内部裂纹萌生竞争模型. a和b: 富氧部位脆性断裂引发表面裂纹萌生的横截面图和侧面图. c和d: 氧化物脱落引发表面裂纹萌生的横截面图和侧面图. e和f: 内部裂纹萌生的横截面图和侧面图
图4 a: 光滑试样和缺陷试样疲劳强度(2×107 cyc)与温度之间关系. b: 高温和缺陷对TC17钛合金超高周(2×107 cyc)疲劳强度的影响模型与实验数据比较，空心符号表示光滑试样的疲劳强度. 这里应力均为名义应力, 计算截面为试样最小截面.
相关研究成果发表在J Mater Sci Technol 2022, 122: 128–140. 力学所特别研究助理李根为论文第一作者，孙成奇研究员为通讯作者。研究得到基金委重大研究计划“航空发动机高温材料/先进制造及故障诊断科学基础”培育项目(91860112)支持。
