背景简介

激光粉末床熔融（LPBF）技术可近净成形复杂结构的Inconel 625构件，在航空航天领域极具潜力。然而，逐层熔化凝固会诱发强<100>织构、定向柱状晶与熔池边界，使构件产生显著的力学各向异性。现代设计理念正从“消除各向异性”转向“主动定制各向异性”，通过调控晶粒取向来优化特定方向的抗疲劳能力。

现有研究多局限于水平 0° 与垂直 90° 两种取向，且缺乏晶粒几何形态对疲劳裂纹扩展的定量调控机制。为此，本研究系统探究五种典型构建方向（H0、L45、L90、S45、S90），结合疲劳试验、EBSD 表征与滑移系分析，揭示晶粒尺度结构对疲劳裂纹扩展的调控规律，为增材制造高温合金构件的抗疲劳定向设计提供理论支撑。

图1 本研究量化裂纹-晶粒相互作用的晶体学框架示意图

成果介绍

（1）构建方向改变微观组织，直接影响疲劳裂纹扩展路径：研究过程中通过改变激光熔池方向形成了五种不同的晶粒形态与织构。在相同循环次数（N=5500）下，裂纹长度呈现明确次序：H0（5.30 mm）> L45（4.90 mm）> L90（4.52 mm）> S45（3.69 mm）> S90（2.57 mm）。其中 S90 方向裂纹最短，疲劳性能表现最优，裂纹长度较 H0 降低约 51%。H0的熔池呈水平层状的平行带状结构，裂纹易沿约67°扫描转角的熔池边界扩展，路径相对平直。而在S90中，柱状晶沿竖直方向生长，其长轴垂直于裂纹扩展方向，裂纹前沿频繁遇阻，主要为穿晶扩展，扩展路径曲折度高。EBSD定量统计进一步证实：穿晶断裂比例从H0的31.6%逐步升至S90的69.6%，表明构建方向通过调控晶粒的几何排列从根本上改变了断裂模式。

图2 五种构建方向下的熔池形貌与疲劳裂纹路径，白色虚线为扫描轨迹

（2）施密特因子对疲劳裂纹扩展的预测能力与局限性：通常认为SF越高，滑移系越容易启动，裂纹也越易沿某个晶面扩展。然而织构分析表明，L90和S90中含有高SF的CubeND22织构组分（SF可达0.493），理论上应更易驱动滑移；而S45中含有大量低SF的Brass组分（SF=0.275），按推测应表现出更好的抗疲劳性能。但实验表明最短裂纹却出现在S90试样中。对裂纹路径上的晶粒进行了详细的滑移系激活分析。统计显示，S90的“全匹配率”高达34.8%，远超H0（15.8%）和L45（6.9%）等方向。这是因为在穿晶主导的S90中，裂纹更严格地追随最大SF对应的{111}滑移面扩展，SF的预测较为准确；而在H0、L45等沿晶为主的扩展中，裂纹倾向于沿弱界面扩展，晶界效应盖过了晶内滑移的驱动作用，SF的预测精度下降。这表明：SF仅能描述晶内滑移启动的难易，却无法反映晶界的阻碍或导向作用；要全面理解疲劳行为，必须引入晶粒间的几何相容性。

图3 疲劳试样的粒度滑移系统分析，显示了五个方向微观结构响应和激活的滑移系统

图4 滑移系统激活统计。纵坐标为滑移系统编号，横坐标为晶粒编号，蓝色圆圈表示穿晶断裂晶粒内实际激活的滑移系统，黑色菱形表示理论上最大SF对应的滑移系统

（3）疲劳裂纹扩展中几何相容因子m′的效应与α/β偏转角：当裂纹尖端遇到晶界时，相邻晶粒的滑移系是否几何兼容决定了滑移传递的难易以及裂纹偏转的程度。团队引入Luster–Morris几何相容因子m′（取值0~1）以及扭转角α和倾角β进行定量评估。统计分析显示，所有试样的m′分布均集中在低值区，但在不同的晶粒形态下，低m′带来的作用截然相反。在H0、L45这类以等轴晶和弱织构为主的组织中，低m′意味着滑移难以跨越晶界，位错在边界前大量堆积，引发应力集中并诱发沿晶开裂，此时低m′直接削弱了疲劳抗力。而在S90中，尽管晶粒间的m′值同样不高，但柱状晶的长轴方向与裂纹扩展方向几乎垂直，裂纹要么沿长晶界平行于加载方向迂回，要么被迫耗散大量能量穿过晶粒内部。在此构型下，低m′反而迫使裂纹反复发生穿晶偏转，α和β角集中在高阻抗区，裂纹路径极度曲折，每扩展一步都需消耗更多能量，疲劳裂纹扩展阻力显著提升。这一机制也解释了S90为何能兼具高SF与优异抗疲劳性能：晶粒内部高SF驱动滑移，保障了基本的塑性变形能力；而晶粒间的低m′配合特殊的晶界取向，又迫使裂纹反复穿晶偏转，消耗了大量扩展能。

图5 几何相容因子m′，红色园为实验观察到的活性滑移传递，蓝色圈为穿晶断裂晶粒间的传递，黑色菱形为理论预测值

图6 偏转角α、β分布，颜色从蓝（低裂纹扩展抗力）渐变至白（高裂纹扩展抗力）

结语

本研究建立了“构建方向→晶粒尺度几何（形态+织构）→滑移/m′/偏转角→断裂模式→疲劳裂纹扩展抗力”的定量映射模型。这一晶粒几何调控策略为航空发动机涡轮盘、叶片等关键热端部件的长寿命、轻量化一体化增材制造提供了崭新的工艺窗口。未来，有望在同一个构件的不同区域实现按需定制的晶粒织构，从而在保障疲劳寿命的同时发挥设计自由度。

致谢

该研究得到了国家自然科学基金（批准号：52205140）、湖南省优秀青年科学基金（批准号：2023JJ20041）、湖南省科技创新计划（2023RC3241）及长沙理工大学研究生科研创新项目（CLKYCX24051）的支持。本文第一作者：付金银（长沙理工大学），本文通讯作者：周立波副教授（长沙理工大学，libozhou@csust.edu.cn），甘科夫副教授（中南大学，gankefu@csu.edu.cn）。

本期小编：付金银 （整理）

董乃健 （发布）