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Fan Y S, Ren T, Dong C L, et al. The role of rafting in small fatigue crack behaviours of a Ni-based single crystal superalloy at room temperature[J]. International Journal of Fatigue, 2026, 205: 109413.
Fan, Y. S., et al. "The role of rafting in small fatigue crack behaviours of a Ni-based single crystal superalloy at room temperature." International Journal of Fatigue 205 (2026): 109413. (): .
Fan, Y. S., Ren, T., Dong, C. L., Yang, X. G., & Shi, D. Q. (2026). The role of rafting in small fatigue crack behaviours of a Ni-based single crystal superalloy at room temperature. International Journal of Fatigue, 205, 109413., .
背景简介
镍基单晶高温合金因其卓越的高温力学性能，已广泛应用于航空发动机和燃气轮机涡轮叶片等热端部件。日益恶劣的强力热耦合环境会导致单晶合金内部微观组织出现各类退化行为，其中筏化现象最为常见。微结构筏化会显著降低单晶合金的抗疲劳性能，造成叶片过早的失效，导致重大的安全事故和经济损失。大量研究表明，单晶合金的疲劳寿命主要消耗在小裂纹的形核与扩展阶段，因此研究微结构筏化对单晶合金疲劳小裂纹萌生与扩展行为的影响具有重要的工程意义。
成果介绍
（1）开展了室温下[001]和[011]两种取向初始和筏化试样的疲劳小裂纹扩展试验。试验结果表明，微观结构筏化显著加快了沿[001]取向的裂纹扩展速率，而对沿[011]取向的裂纹扩展速率影响较小，这与变形引起的微裂纹尖端塑性区的变化密切相关。
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图1 不同微结构状态[001]取向单晶合金疲劳小裂纹扩展速率：(a) da/dN-a曲线，(b) da/dN -ΔK曲线
（2）微结构筏化显著影响镍基单晶高温合金中疲劳小裂纹的微观扩展路径。镍基单晶高温合金中裂纹路径转变与裂纹尖端塑性区演化和微观结构中滑移系统激活有关。筏化降低了材料屈服强度，扩大了裂纹尖端塑性区，使裂纹沿单一滑移面扩展更长距离。筏化使裂纹扩展路径从“张开-剪切”模式转为“剪切-张开”模式，显著影响裂纹扩展速率和路径。
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图2 不同微结构状态 [011]取向单晶合金疲劳小裂纹扩展速率：(a) da/dN-a曲线；(b) da/dN -ΔK曲线
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图3 初始状态下沿[001]取向的疲劳小裂纹的微观路径特征：(a) 整体路径形态；(b) 锯齿状裂纹路径；(c) 裂纹表面的滑移线；(d) 裂纹偏转；(e) 裂纹尖端的滑移痕迹
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图4 筏化状态下沿[001]取向的疲劳小裂纹的微观路径特征：(a) 整体路径形态；(b) 缺口边缘锯齿状裂纹路径；(c)和(d) 沿裂纹表面的滑移痕迹；(e) 裂纹表面附近的微观结构
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图5 镍基单晶高温合金中微观结构筏化的微观裂纹路径影响示意图
（3）基于裂纹尖端储能理论和镍基单晶高温合金的微观强化机制，建立了考虑微观结构筏化状态的疲劳小裂纹扩展速率模型。该模型准确描述了在室温下筏化对小裂纹扩展的加速作用，模型预测结果与试验结果取得了良好的一致性。
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图6 镍基单晶高温合金沿[001]和[011]取向的小裂纹扩展速率预测结果，其中(a)和(c)为初始状态，(b)和(d)为筏化状态
致谢
本项工作得到了中国国家自然科学基金（NSFC, NO. 12472063, 12172021）、科技部油气重大项目（NO. 2025ZD1401600）以及中央高校基本科研业务费专项资金的资助。本文第一作者和通讯作者：范永升（北京航空航天大学）。
本期小编：范永升（整理）
董乃健 （发布）
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