背景：Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si由于其优异的综合性能而广泛应用于航空航天、生物医学、化学工程、海洋工程等各个领域。特别是，它在航空发动机的压缩机叶片等关键部件中占有重要地位。叶片处于高频振动的工作环境中，其振动疲劳寿命成为影响叶片在役性能的关键因素。

多晶材料中的损伤经常沿沿着晶界（GB）引发和传播。Yang等人通过激光表面熔化改变304不锈钢的GB特性，优化了其性能。Pogrebnjak等人通过强流电子束处理增强了Ti-Al合金微区的GB取向，并形成了各种近表面晶粒结构，从而提高了抗疲劳裂纹萌生的能力，并显著改变了薄膜的机械性能。Meisner等人证实，通过低能量、高电流电子束处理改善Ni-Ti合金的疲劳性能也源于表面层结构变化。Hémery等人研究了几种具有不同微观结构的钛合金的低周疲劳裂纹形成机制，观察到早期疲劳裂纹沿沿着（0001）扭曲GBs萌生。在双相钛合金中，α相晶界（αGB）对疲劳裂纹扩展行为有显著影响。同时，特定的αGB可以通过诱导频繁的裂纹偏转来实现最低的疲劳裂纹扩展速率，从而导致上级疲劳裂纹扩展阻力。Kadoi等人证明，与重合位置晶格（CSL）边界相比，随机边界处的裂纹形成更频繁;另外，裂纹从随机边界扩展常常受到CSL边界的阻碍。通常把CSL边界看作低能边界，而把随机边界看作高能边界。Lam等人证明低GB具有优异的抗晶间裂纹性能。然而，目前对钛合金内部CSL边界在微观水平上影响疲劳性能的机制的研究有限。

在六方密堆积（HCP）材料中，CSL理论的应用是复杂的，因为理想的CSL通常需要合理的（c/a）值。因此，HCP结构中的CSL边界通常指近CSL边界。关于定制钛的CSL边界的方法，目前的研究主要集中在表面处理、轧制和热处理等方法上。这些研究的关键结果总结见表1。传统的操作方法总是会引起相变。至关重要的是，这些相变过程不可避免地在随机GB处产生显著的应力集中，从而严重限制了高性能材料的制造。因此，我们提出了电磁冲击处理（EST），能够在不改变基体微观结构的情况下进行有针对性的GB操作，目的是进一步提高材料性能。EST显示出了希望，研究表明它能够显着改变材料的内部微观结构并减少内部微观缺陷。例如，Zhou等人研究了EST对Al-Cu-Li合金的影响，发现EST诱导了螺旋位错的演化，显著增加了蠕变速率和蠕变应变。Hou等人发现EST不仅促进了Mg-Al-Ca-Mn合金的快速溶解，而且还加速了时效过程并细化了基体晶粒。Hua等人发现EST可以修复冷轧过程中形成的孔隙，证实孔隙愈合主要由孔隙形状决定，与电磁能量施加方向无关。Cai等人观察到磁场对45钢晶粒的选择性影响，其中只有特定晶粒发生变形。尽管取得了这些进展，但EST影响CSL边界结构的潜在机制仍不清楚，其改善疲劳性能的机制的研究仍然不足。

本文通过原位表征和第一性原理计算研究了EST作用下α相CSL边界结构的演化。同时，详细分析和验证了该GB影响疲劳性能的机理，从而揭示了EST提高Ti-6.5Al-3.5 Mo-1.5Zr-0.3Si疲劳寿命的内在机理。这些结果提供了一种强有力的手段来选择性地调整微观结构，从而从根本上提高多晶材料的抗疲劳性。

该项研究成果以“Electromagnetic shock induced CSL boundaries formation to enhancefatigue properties of Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si”为题，在线发表于国际期刊《Journal of Materials Science & Technology》。该研究工作得到国家自然科学基金（No.U23A20624和52305414）、湖北省自然科学基金创新研究群体项目（No.2025AFA014）和111项目（No.B17034）的支持。

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030226003166?via%3Dihub

图1 

（a）扫描电子显微镜（SEM）形态和（b）相图，（c）KAM图，（d）Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si合金的反极图。（e）EST过程示意图，（f）原位电子背散射衍射（EBSD）测试位置，（g）EST实验参数，（h）EST过程中的温度监测，（i）振动疲劳示意图，（j）疲劳试件尺寸。

图2 在各种（a）EST和（b）处理条件下的疲劳强度和疲劳寿命的比较。

图3 振动疲劳裂纹萌生和扩展过程。

（a、c、e和g）未进行EST的疲劳试样相似位置区域的IPF和（b、d、f和h）SEM形态。（i、k、m和o）EST后疲劳试样相似位置区域的IPF和（j、l、n和p）SEM形态

图4 

在不同电流密度下通过原位EBSD分析Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si的晶粒取向：（a-c）S1-80 A/mm2，（d-f）S2-90 A/mm2，（g-i）S3-100 A/mm2。（a、b、d、e、g和h）IPF图和（c、f和i）方位角图示。

图5 

（a和b）GB和（c和d）边界图与KAM图（有和没有EST）的现场比较。

（e-k）电流密度为S2-90 A/mm 2时的ACTEM结果。（e、f、i）局部GB的晶粒旋转过程分析，（g、j）对应的电子衍射斑点图案，（h、k）几何相分析。

图6 

利用EBSD原位研究了不同电流密度下Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si合金的CSL晶界分布和含量：（a-c）S1-80 A/mm2，（d-f）S2-90 A/mm2，（g-i）S3-100 A/mm2。

图7 

（a）在EST之后通过原位EBSD在Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si的CSL边界处的晶粒旋转角和所有晶粒的旋转角的统计结果：

（b）S1-80 A/mm2，（c）S2-90 A/mm2，和（d）S3-100 A/mm2。

图8 

（a）和I-边界的GFE和（b）EFV，（c）GFE和EFV的相对关系，（d和e）7个边界的FPCTT，（f）和I-边界的理论强度。

图9 

I-转换为原子结构模型的示意图和势垒能，其中i = 3，5，7，11，13。

图10 CSL的形成机制和有无EST的疲劳裂纹形核机制示意图。

结论：在这项研究中，EST被提出来选择性地修饰GBs而不同时改变相组成。通过原位微观结构表征和第一性原理计算，研究了EST对GBs转变和强化机制的影响。

 （1）初始的随机晶界通过EST诱导的局部晶粒旋转向CSL晶界转变，不发生再结晶和相变，这是能量竞争的结果。晶粒旋转轴一般靠近晶粒区轴。

 （2）与随机边界相比，CSL边界具有更低的能量、更稳定的结构和更低的应力集中。电磁能为克服MEBs提供了必要的动力。因此，具有更高地层能量的CSL边界的形成需要更大的电磁能量输入。

 （3）振动疲劳试验结果表明，经EST处理后，Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si合金的振动疲劳强度提高了24.04%。形成的CSL边界阻碍裂纹扩展，导致从沿晶断裂到主要穿晶断裂的过渡。这应归因于新形成的CSL边界表现出明显更高的分离能和理论强度，从而增加了它们对疲劳裂纹萌生和扩展的抵抗力。