航空发念头被誉为现代工业“皇冠上的明珠”
。叶片是航空发念头的要害零部件，其在服役寿命内遭受高温高周甚至超高周次 (>107) 循环载荷作用
。同时，现实零部件在质料的制备、加工以及使用历程中，通常不可阻止地保存种种类型缺陷
。因此，展现钛合金高温高周和超高周疲劳特征以及其缺陷敏感性，具有主要科学意义和工程应用价值
。

　　力学所非线性力学国家重点实验室微结构盘算力学课题组，研究展现航空发念头叶片用TC17钛合金高温 (200℃和400℃) 高周疲劳裂纹起源于试样外貌或内部 (图1)，外貌裂纹萌生是由于富氧层开裂或氧化物脱落导致的 (图1a-1g)，内部裂纹萌生是位错相互作用导致晶粒细化进而诱导的 (图2)
。在实验效果基础上，提出400℃时TC17钛合金外貌裂纹萌生和内部裂纹萌生竞争模子 (图3)
。

　　进一步研究批注，含外貌缺陷TC17钛合金应力-寿命数据在高周和超高周 (>107) 阶段具有平台区特征
。外貌缺陷显著降低TC17钛合金室温顺高温疲劳强度，但高温并未降低含缺陷试样的疲劳强度 (图4a)，一个主要缘故原由是高温下形成较硬的氧化层抑制了外貌裂纹萌生，提升了疲劳性能
。研究还发明，高温顺缺陷对TC17钛合金高周和超高周疲劳强度的影响可以近似体现成 (图4b)：

　　其中，σfs 是疲劳强度（单位：MPa），t 是温度（单位：℃），√area 是缺陷笔直于主应力轴的投影面积（单位：μm）

　　研究效果关于明确钛合金高温高周和超高周疲劳失效机制，以及含缺陷钛合金的疲劳强度展望具有主要价值
。

a-c: 氧化物入侵诱导的外貌裂纹萌生 (200℃，σa=650MPa，R=-1，Nf=2.7×104cyc)，b和c划分是a中上面和右侧裂纹萌生区域的放大图

；d-g: 氧化物脱落诱导的外貌裂纹萌生 (400℃，σa=520MPa，R=-1，Nf=7.6×105cyc)，e是d中裂纹萌生区域的放大图，f和g划分是e中响应区域的放大图

；h-j: 内部裂纹萌生 (400℃，σa=520MPa，R=-1，Nf=1.0×106cyc)，i和j划分是h和i中裂纹萌生区域的放大图

图1 平滑试样疲劳断口SEM图像

a: SEM图像，短线为提取位置

；b: a中位置b沿主应力偏向剖面SEM视察效果

；c-e: a中位置c沿主应力偏向剖面的反极图、相图和TEM图片

；f和g: 划分为e中区域1的暗场像和区域2的放大图
。

图2 400℃平滑试样 (σa=520MPa，R=-1， Nf=1.0×106) 疲劳断口粗糙区域微结构视察效果

a和b: 富氧部位脆性断裂引发外貌裂纹萌生的横截面图和侧面图

；c和d: 氧化物脱落引发外貌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3 400℃时TC17钛合金外貌裂纹萌生和内部裂纹萌生竞争模子

a: 平滑试样和缺陷试样疲劳强度 (2×107cyc) 与温度之间关系

；b: 高温顺缺陷对TC17钛合金超高周 (2×107cyc) 疲劳强度的影响模子与实验数据较量，空心符号体现平滑试样的疲劳强度
。这里应力均为名义应力，盘算截面为试样最小截面
。

图4

　　相关研究效果揭晓在J Mater Sci Technol 2022, 122: 128–140. 力学所特殊研究助理李根为论文第一作者，孙成奇研究员为通讯作者
。研究获得基金委重大研究妄想“航空发念头高温质料/先进制造及故障诊断科学基础”培育项目 (91860112) 支持
。