铂铑合金

长寿命高可靠是重大工程装备的重要指标，特别是以先进航空发动机和高铁车轴为代表的关键部件，服役寿命内承受了超过107甚至1010周次的循环载荷作用，进入了超高周疲劳（即107周次以上的疲劳）研究范畴，这颠覆了传统基于疲劳极限（对应107周次）的疲劳强度与寿命设计理念，成为近年来疲劳研究的前沿和热点。因此，揭示超高周疲劳的微观机理和规律等科学问题，建立疲劳寿命与疲劳强度的准确预测模型，将具有重要的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计算力学课题组以航空发动机用TC17钛合金和增材TC4钛合金为研究对象，揭示了疲劳载荷过程中形成的形变孪晶和纳米晶是钛合金超高周疲劳裂纹萌生和演化的重要因素（图1），提出了钛合金超高周疲劳裂纹萌生和初始扩展机理（图2）；通过巧妙的变幅加载设计，测得超高周疲劳裂纹萌生和初始扩展区域的等效裂纹扩展速率在10-13~10-11 m/cyc量级（图3a和3b），进而对超高周疲劳寿命进行了预测，预测结果与实验结果吻合（图3c）。图1 TC17钛合金扫描电子显微镜和电子背散射衍射观测结果(σα=588 MPa, R=–1, Nf=1.4×108 cyc). a: 试样局部区域扫描电子显微镜图像. b-d: 分别是图a中方框区域的反极图、相图以及母体晶粒和孪晶变体基面的施密特因子. e: 微裂纹附近扫描电子显微镜图像. f-h: 分别是图e中方框区域的反极图、相图以及母体晶粒和孪晶变体基面的施密特因子. 加载方向沿着纸面向上和向下.图2 钛合金超高周疲劳裂纹萌生和初始扩展机理示意图. (i)疲劳载荷过程中位错塞积引起的局部高应力诱导孪晶、滑移或微裂纹的形成. (ii) 孪晶系统或位错之间的相互作用导致位错胞或位错墙的形成，进而形成微尺度滑移带和亚微米晶粒，最终形成纳米晶粒 然后，微裂纹沿着纳米晶粒-粗晶粒界面或在纳米晶粒区域内形成. 此过程中，由于微结构不均匀或变形不协调，微裂纹的形成也可以与晶粒细化无关，即微裂纹形成于α相团簇、较大的α相或α-β界面. (iii) 微裂纹增长或联接，并在疲劳载荷过程中进一步诱导晶粒细化或微裂纹的形成. (iv) 过程(iii)继续，直到裂纹萌生和初始扩展阶段结束.图3 增材TC4钛合金超高周疲劳裂纹萌生和初始扩展速率与寿命预测. a: 变幅加载下SEM照片(σα,H= 600 MPa, σα,L= 400 MPa, R=–1, σα,L下累积1.6×108周次). b: 裂纹萌生和初始扩展区域(Fine Granular Area, FGA)内等效裂纹扩展速率与文献中裂纹扩展速率的比较. c: 不同应力比下S–N数据以及R=–1下疲劳寿命预测结果与实验结果的比较.研究发现，材料缺陷不仅会显著降低钛合金的疲劳性能，而且缺陷对高周和超高周疲劳行为的影响与其引入形式密切有关。对于材料内部缺陷，高周和超高周疲劳S–N曲线呈现连续下降特征，而表面人工缺陷试样S–N曲线具有平台区特征（图4）。原位显微镜观测以及扫描电子显微镜和透射电子显微镜观测表明，与内部缺陷诱导的超高周疲劳失效不同，表面人工缺陷诱导的超高周疲劳未呈现伴随纳米晶粒形成的、缓慢的裂纹萌生和初始扩展过程；一旦裂纹萌生，裂纹将快速增长，试样在很少周次内发生失效（图5）。认为这种失效是疲劳载荷与时间相关过程（如水气影响、氢的作用等）的协同作用所致。进一步提出试样几何形状和表面缺陷对钛合金高周和超高周疲劳强度的影响模型。该模型不但能用于关联缺陷对钛合金疲劳强度的影响（图6a），而且也有效用于文献中缺陷（包括裂纹）对一些金属材料高周疲劳强度的影响（图6b-6f）。图4 缺陷引入形式和缺陷尺寸对疲劳性能的影响. (a) 缺陷引入形式对增材TC4疲劳性能影响. (b) 人工表面缺陷对TC17钛合金疲劳性能影响. 实线表示双对数坐标下线性拟合得到的中值S–N曲线.图5 含表面人工缺陷TC17钛合金超高周疲劳原位显微镜观测(σα=368 MPa, R=–1, Nf=1.95×107). 加载方向沿着纸面向上和向下.图6 缺陷对高周和超高周疲劳强度影响的模型结果与实验结果比较.对几种常用的应力比对高周疲劳强度影响模型在超高周疲劳范畴的预测能力也进行了对比研究。多种材料实验数据表明，Walker公式σα,R=σα,-1[(1–R)/2]γ相比Goodman公式σa,R=σα,-1[1–(σm/σb)]和Smith-Watson-Topper公式σa,R=σα,-1[(1–R)/2]1/2更好地预测应力比对超高周疲劳强度的影响（图7），其中σα,R和σα,-1分别是应力比R和–1下的疲劳强度，σm和σb是平均应力和拉伸强度，γ是材料参数。图7实验结果与不同模型预测结果的比较.相关研究得到国家自然科学基金基础科学中心“非线性力学的多尺度力学研究”项目(11988102)、国家自然科学基金重大研究计划“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)等支持。部分研究结果是与北交大等合作完成，主要研究成果发表在Int. J. Fatigue 2023, 166: 107299 2023, 167: 107331 2022, 160: 106862 Eng. Fract. Mech. 2022, 259: 108136 2022, 272: 108721 2022, 276: 108940 J. Mater. Sci. Technol. 2022, 122: 128-140 Theor. Appl. Fract. Mech. 2022, 119: 103380。

3D打印，又名增材制造（Additive manufacturing，AM），因其得天独厚的自由成形能力极大地满足了高端装备和构件对高集成性、多功能性、轻量化、一体化的需求，被认为是制造领域的颠覆性技术。因而，3D打印材料在航空航天等领域得到极大关注和初步应用。然而，与传统制造技术相比，3D打印制备的材料在循环载荷下的疲劳性能普遍较差，严重制约了其作为结构承力件的广泛应用。因此，如何提升3D打印材料与构件的疲劳性能是国内外学术界与工程界热切关注的焦点问题。近期，中国科学院金属研究所材料疲劳与断裂团队带头人张哲峰研究员在前期疲劳损伤机制和疲劳预测理论指导下，与轻质高强材料研究部杨锐研究员团队开展合作，在3D打印钛合金抗疲劳设计制备方面取得了突破性进展，制备出具有优异疲劳性能的3D打印钛合金材料。该项研究成果于2024年2月29日以题为“High fatigue resistance in a titanium alloy via near void-free 3D printing”发表在Nature杂志上，金属所博士研究生曲展为论文第一作者，张振军研究员、美国加州大学伯克利分校Robert O. Ritchie教授、张哲峰研究员为论文通讯作者。在文中，研究人员首次明确提出：理想状态下3D打印技术直接制备出的钛合金组织本身（称为Net-AM组织）应具有天然优异的疲劳性能，而打印过程中产生的气孔等缺陷掩盖了其自身组织抗疲劳的优点，导致实际测量的3D打印材料疲劳性能大幅降低。因此，提升3D打印材料疲劳性能的关键在于消除打印气孔的同时，尽可能保留原始打印的组织状态。然而，目前消除气孔的工艺往往伴随组织粗化，而细化组织的处理又会带来气孔复现，甚至引发晶界α相富集等新的不利因素，可谓进退两难。幸运的是，研究人员在Ti-6Al-4V合金中首次发现，高温下3D打印态组织的晶界迁移及气孔长大与相转变过程表现出异步的特性；这意味着，存在一个宝贵的热处理工艺窗口，既可实现板条组织细化，又能有效抑制晶界α相富集及气孔复现。为此，研究人员巧妙地利用了这一工艺窗口，发明了缺陷与组织分步调控的NAMP新工艺（Net-Additive Manufacturing Process）（图1），最终制备出几乎无气孔的近Net-AM Ti-6Al-4V合金。大量疲劳实验表明这一近Net-AM钛合金有效避免了从打印气孔、粗大板条及α相富集晶界等多种疲劳短板处开裂（图2），充分展示出3D打印组织自身所特有的高疲劳抗性：其拉-拉疲劳强度从原始态的475 MPa提升至 978 MPa，增幅高达106%（图3）。通过对比发现，这种近Net-AM组织Ti-6Al-4V合金不仅在所有钛合金材料中具有最高的拉-拉疲劳强度，而且在目前已报道的材料疲劳数据中，还具有最高的比疲劳强度（疲劳强度除以密度）。这项成果更新了人们以往对3D打印材料疲劳性能不高的固有认识，揭示了3D打印技术在抗疲劳制造方面的独特优势，展现了3D打印材料作为结构承力件在航空航天等重要领域的广阔应用前景。该项研究得到了国家自然科学基金创新研究群体(52321001)、优秀青年基金(52322105)、重点基金(52130002)、叶企孙联合基金(U2241245)、中国科学院王宽诚国际合作项目(GJTD-2020-09)与中国科学院青促会(2021192)等项目资助。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07048-1论文DOI号：10.1038/s41586-024-07048-1图1. 打印态、NAMP态以及其他两种典型状态3D打印钛合金组织和缺陷特征：（a）打印态；（b）热等静压（HIP）态；（c）Near-net-AM态；（d）Net-AM态。图2. 不同组织疲劳裂纹萌生典型位置。（a）疲劳裂纹萌生位置表征的尖角逐层磨抛方法示意图；（b）Net-AM状态；（c）HIP状态；（d）Near net-AM状态。Net-AM状态的疲劳裂纹均从干净的初生β晶界（PBGBs）处萌生，成功避免了从缺陷和粗大组织开裂，从而表现出极高的疲劳抗力。图3. 本研究工作制备的Net-AM组织钛合金的疲劳性能（R=0.1）：（a） Net-AM组织钛合金拉-拉疲劳强度与增材和锻造钛合金疲劳强度对比；（b）Net-AM组织钛合金与其他材料的比疲劳强度对比。Net-AM组织钛合金不仅在钛合金中具有最高的疲劳强度，而且在所有材料中表现出最高的比疲劳强度。

航空发动机被誉为现代工业“皇冠上的明珠”。叶片是航空发动机的关键零部件，其在服役寿命内承受高温高周甚至超高周次(107)循环载荷作用。同时，实际零部件在材料的制备、加工以及使用过程中通常不可避免地存在各种类型缺陷。因此，揭示钛合金高温高周和超高周疲劳特性以及其缺陷敏感性具有重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计算力学课题组，研究揭示航空发动机叶片用TC17钛合金高温(200℃和400℃)高周疲劳裂纹起源于试样表面或内部(图1)，表面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)。在实验结果基础上，提出400℃时TC17钛合金表面裂纹萌生和内部裂纹萌生竞争模型(图3)。进一步研究表明，含表面缺陷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。表面缺陷显著降低TC17钛合金室温和高温疲劳强度，但高温并未降低含缺陷试样的疲劳强度(图4a)，一个重要原因是高温下形成较硬的氧化层抑制了表面裂纹萌生，提升了疲劳性能。研究还发现，高温和缺陷对TC17钛合金高周和超高周疲劳强度的影响可以近似表示成(图4b)：其中σfs疲劳强度(单位：MPa)，t是温度(单位：℃)，是缺陷垂直于主应力轴的投影面积(单位：μm)，。研究成果对于理解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预测具有重要价值。图1光滑试样疲劳断口SEM图像。a-c：氧化物入侵诱导的表面裂纹萌生(200℃，σa=650 MPa，R=-1，Nf=2.7×104 cyc)，b和c分别是a中上面和右侧裂纹萌生区域的放大图。d-g：氧化物脱落诱导的表面裂纹萌生(400℃，σa=520 MPa，R=-1，Nf=7.6×105 cyc)，e是d中裂纹萌生区域的放大图，f和g分别是e中相应区域的放大图。h-j：内部裂纹萌生(400℃，σa=520 MPa，R=-1，Nf=1.0×106 cyc)，i和j分别是h和i中裂纹萌生区域的放大图。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。