应力集中对第三代ZTNM TiAl合金高周疲劳性能的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Effects of Stress Concentration on the High-Cycle Fatigue Performance of a Third Generation ZTNM TiAl Alloy

高温下第三代ZTNM钛铝合金的疲劳行为研究表明，光滑试样在700℃时疲劳极限为365MPa，应力集中系数每增加1（Kt=2和3），疲劳极限分别下降24.7%和38.4%。传统缺口疲劳模型（Neuber和Peterson）低估缺口试样疲劳极限，而HSV模型预测精度优异，揭示了缺口强化效应源于变形孪生和有限损伤累积区。疲劳裂纹优先沿γ/α2相界面的γ+α2层状微观结构发展，该界面易形成循环塑性应变集中。研究为钛铝合金缺口部件可靠性设计提供了理论依据。

　　

姚禾|西安坤|志洲霞|泽伦路|亚森张|邵华刘|春玲赵|荣华刘|小花张

西北工业大学民航学院，中国西安710072

摘要

本研究系统地研究了第三代ZTNM钛铝（TiAl）合金的高温疲劳行为，并通过结合疲劳试验、断裂表征和疲劳建模揭示了其内在的缺口敏感性机制。在700°C下，光滑试样的疲劳极限为365 MPa（1×10^7循环），而应力集中系数（K_t）的增加导致疲劳极限分别降低了24.7%（K_t = 2）和38.4%（K_t = 3）。传统的缺口疲劳模型（Neuber和Peterson）显著低估了带缺口的试样的疲劳极限，表明该合金存在缺口强化效应。相比之下，高应力体积（HSV）模型提供了出色的预测精度，证明了其在从材料级试样到结构级试样的疲劳强度传递方面的适用性。疲劳损伤受γ+α_2层状微观结构控制，尤其是γ/α_2相界面，循环塑性应变优先在弱晶面上局部化，从而促进裂纹的起始。缺口强化归因于缺口尖端附近γ相中的变形孪晶引起的加工硬化以及尺寸有限的损伤积累区。这些发现阐明了层状TiAl合金的微观结构敏感性疲劳行为，并为设计耐损伤部件提供了见解。

引言

钛铝（TiAl）合金被视为下一代轻质、高温结构部件的有希望候选材料，特别是在低压涡轮叶片等关键部件中。它们的吸引力在于其低密度、高比强度以及在高温下的优异蠕变抗力[1]、[2]、[3]。然而，TiAl合金固有的脆性和有限的室温延展性严重限制了其在复杂应力条件下的服役可靠性[4]、[5]。在实际应用中，由于装配、加工或设计要求，常常会引入几何不连续性，如缺口和叶片榫头。这些特征作为应力集中器，成为疲劳裂纹起始的优先位置，从而显著降低了材料的疲劳寿命。研究表明，缺口会引发显著的应力集中，对关键工程部件构成重大失效风险[6]、[7]。因此，已经开发并应用了各种预测模型来评估带缺口结构的疲劳寿命。为了阐明缺口几何形状和加载条件对疲劳行为的影响，广泛研究了各种带缺口试样配置[7]、[8]、[9]、[10]。此外，Neuber[11]和Peterson[12]提出的经典方法考虑了缺口根部的应力分布效应来预测疲劳强度。先前对钛合金[10]和铝合金[13]的研究表明，疲劳寿命随着应力集中系数（K_t）的增加而逐渐减小，从而发展出了建立K_t与疲劳寿命之间相关性的经验模型。

现有研究表明，TiAl合金在单调拉伸载荷下可以表现出“缺口强化”效应[14]、[15]。具体来说，缺口根部的局部塑性变形能力可能高于未带缺口的试样，这与传统金属材料中通常观察到的缺口诱导的脆化现象形成鲜明对比。然而，缺口对TiAl合金疲劳性能影响的机制仍不完全清楚。在循环载荷条件下，应力集中与缺口根部局部塑性变形之间的相互作用可能导致复杂的疲劳损伤演变过程。Trail和Bowen[16]报告称，对于γ-TiAl，名义最大净截面应力随着K_t的增加而减小，而峰值局部应力继续增加——表现出特征性的“缺口强化”行为，缺口敏感性系数q约为0.4。

为了进一步提高TiAl合金的使用温度，必须增强其温度性能，这不仅需要优异的高温抗氧化性，还需要强度、延展性、疲劳抗力和蠕变抗力的良好平衡。为了满足这些要求，已经开发了第三代TiAl合金——尤其是β固化的TNM体系[17]（Ti-43Al-4Nb-1Mo-0.1B）——以实现更好的热加工性能和卓越的高温性能。尽管取得了这些进展，但对微观结构在控制缺口敏感性和第三代铸造TNM（ZTNM）合金疲劳裂纹起始机制中的作用仍缺乏全面研究。这种系统理解的缺乏限制了针对下一代轻量级涡轮应用的TiAl部件的可靠性评估和设计优化。因此，全面理解缺口几何形状、微观结构和疲劳性能之间的相互关系至关重要。这种理解不仅阐明了第三代ZTNM TiAl合金的疲劳损伤机制，还为工程部件的安全设计和寿命预测提供了理论基础。本研究旨在通过系统的疲劳实验，研究不同应力集中系数对ZTNM TiAl合金疲劳强度和裂纹起始位置的影响。通过结合详细的微观结构表征，将阐明控制缺口诱导疲劳损伤的微观机制。此外，本研究还试图量化“缺口强化”现象，并建立工程相关的参数，如疲劳缺口系数（K_f）和缺口敏感性系数（q），从而为TiAl部件的耐损伤设计提供科学基础。

材料与实验

材料与实验

第三代ZTNM TiAl合金由江苏华瑞科技有限公司提供。其化学成分列于表1中。该合金通过一次真空电弧重熔（VAR）后，在水冷铜坩埚中进行二次感应熔炼，然后将熔体倒入氧化钇陶瓷壳模具中进行离心铸造。铸态板材随后经过热等静压（HIP）和应力消除退火处理。

为了研究...

拉伸性能

图2展示了700°C下ZTNM TiAl合金的准静态拉伸性能。未观察到明显的屈服点；相反，合金在弹性极限之后表现出逐渐的应变硬化。0.2%的屈服应力（σ_0.2）和极限抗拉强度（σ_b）分别为490 MPa和616 MPa。从弹性区域的线性部分确定的杨氏模量为129 GPa。断裂时的伸长率（δ5）和面积缩减率（?）分别为0.5%和...

寿命预测与缺口敏感性

仅靠理论应力集中系数不足以准确捕捉应力集中对材料疲劳极限的影响。为了解决这一限制，通常通过引入疲劳缺口系数（K_f）将平均应力模型与实验数据结合起来预测带缺口试样的疲劳极限。这种方法有效地考虑了实际服役条件下经历的复杂多轴应力状态。

结论

• (1)
  第三代ZTNM TiAl在光滑试样中的疲劳极限为700°C时的365 MPa。应力集中系数的增加导致疲劳抗力的降低：K_t = 2和K_t = 3时的疲劳极限分别降低了24.7%和38.4%。该合金表现出平坦的S-N特性，且随着K_t的升高，这种趋势更加明显，加剧了在名义相同应力下的疲劳寿命分散。
• (2)
  传统的缺口疲劳预测模型——Neuber和...

CRediT作者贡献声明

荣华刘：资源提供。小花张：撰写——审稿与编辑、监督、方法论。姚禾：撰写——初稿、软件、研究、数据管理。志洲霞：资源提供。西安坤：验证、概念化。亚森张：数据管理。泽伦路：资金获取、概念化。春玲赵：项目管理、概念化。邵华刘：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法论、研究、资金获取，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国中央高校基本科研业务费[项目编号：G2025KY05111]、山西省创新与创业人才项目[项目编号：QCYRCXM-2023-064]、江苏省创新创业博士项目[项目编号：JSSCBS20230322]以及苏州市创新创业领军人才项目[项目编号：ZXL2025300]的支持。