TNM（Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B）合金作为是第三代TiAl合金的代表材料体系之一，被视为航空发动机和高温结构件中替代镍基高温合金的重要候选材料之一，这是因为其同时兼具低密度、高比强度和优异的高温性能等特性。然而，其典型的软/硬相共存结构在高温循环载荷下易形成异质界面弱化区，尤其是界面处的位错塞积、应力集中与疲劳裂纹优先生核，严重制约了其服役可靠性。传统的热处理或电脉冲（EPT）方法因为工艺过程中无法避免材料经历热过程，易诱发相变、氧化或界面反应层增厚，难以精准调控界面缺陷。

而武汉理工大学的研究团队针对这一瓶颈问题，提出了一套通过“低温、瞬态、高能量密度”的电冲击方式，在原子尺度上直接重构异质界面结构的优化路径，目前已于2025年12月25日在材料领域的国际权威期刊《Journal of Materials Science & Technology》期刊在线发表了题为“Enhancing fatigue performance ofTNMAlloy via electroshock energy-induced heterogeneous interface reconfiguratio Enhancing fatigue performance of TNMAlloy via electroshock energy-induced heterogeneous interface reconfiguration”的研究论文。在该论文中团队提出了一种低频瞬态电冲击（Electroshock Treatment，EST）调控策略，在不引入显著热效应的前提下，实现了TNM钛铝合金异质界面的原子级重构，使其在800 ℃高温旋转弯曲疲劳条件下的寿命提升最高达67.6%，为第三代TiAl合金的高温疲劳失效问题提供了一条全新的“非热加工”解决思路。通讯作者为武汉理工大学的宋燕利教授。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.12.036  

【核心内容】

在这项研究中，团队针对TiAl基TNM合金在高温疲劳条件下裂纹易萌生且寿命离散性大的关键问题，提出了一种基于瞬态低频电冲击的非热型界面调控策略，在不改变宏观组织形貌的前提下显著提升疲劳性能。研究发现，适度电冲击可诱导α2/γ与β0/γ异质界面发生原子有序重排，显著削弱界面邻近区域的晶格畸变与局域应变集中。原子分辨表征与多尺度模拟进一步证实，自由电子-原子非平衡耦合驱动界面原子向低势能构型迁移，从能量尺度稳定了疲劳裂纹的优先生核区。由此，疲劳裂纹由沿界面快速扩展转变为更为曲折的穿晶/穿层片扩展模式，有效提高了裂纹扩展能垒并显著延缓失效。该研究从界面工程角度为TiAl基高温结构合金的疲劳寿命提升提供了一条全新的非热型调控路径。

图形摘要

【研究方法】

研究以名义化学成分为Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B(at%)的β凝固γ-TiAl合金（简称TNM合金）为研究对象，采用“真空自耗熔炼（VCM）+真空凝壳熔炼+VCM”三步熔炼工艺，制备了TnM合金铸锭，为了使铸锭组织均匀并减少残余铸造气孔，铸锭在1260 ℃和150 MPa下进行热等静压4 h，随后，在1300 ℃对棒材进行热挤压，挤压比为10，挤压温度为1300 ℃，挤压后，棒材剥离表层材料以去除表面缺陷。最后，棒材在1250 ℃下加热1h后炉冷，得到TNM合金样品。实验系统主要由EST加载装置、温度监测平台和电信号监测装置组成，EST加载装置向样品提供电击能量，工频为50Hz，波形为正弦，根据峰值电流密度设置4组EST参数：0 A/mm2（Received样品）、50 A/mm2（EST-1）、70 A/mm2（EST-2）和90 A/mm2（EST-3），所有组的恒定通电时间为0.5 S，将霍尔传感器与动态信号测试分析系统相结合，实现了对电信号的实时监测。为了监测温度，将K型热电偶固定在样品表面，使用多通道温度记录器进行测量，采样间隔为100ms，温度测量范围为−999.9~9999.9 ℃，在最佳工艺参数下，样品的温度约为380 ℃。随后团队系统评估其800 ℃高温旋转弯曲疲劳行为，SEM、EBSD、TEM用于裂纹形貌、界面结构与位错行为分析，高温旋转弯曲疲劳实验测试疲劳性能，结合量子力学理论与分子动力学（MD）模拟，揭示电子-原子非平衡散射与界面能演化机制。

EST系统示意图

【研究成果】

① 电冲击处理显著提升TNM合金高温疲劳寿命，并降低寿命离散性

在800 ℃高温旋转弯曲疲劳条件下，TNM合金对电冲击能量输入表现出明显的“窗口效应”，即适当增加峰值电流密度能够提高材料的疲劳寿命，但这一相关性并非绝对的，当峰值电流密度为70 A/mm²（EST-2）时，材料的平均疲劳寿命增幅达67.6%，由未处理状态的2.25×10⁵周次提升至3.77×10⁵周次，且材料的疲劳行为更加稳定可靠，而EST-3状态的合金疲劳寿命反而下降，这说明疲劳强化来源于界面结构优化而非简单能量叠加。

高温旋转弯曲疲劳测试与微观结构表征示意图

高温旋转弯曲疲劳性能结果

EST对位错运动的影响机制

② 电冲击重塑疲劳裂纹扩展路径，延缓裂纹失稳扩展

未处理的TNM合金主要以沿界面的脆性断裂特征为主，其疲劳裂纹在稳定扩展区（SCPZ）和快速扩展区（RCPZ）中沿异质界面扩展，而在EST-2条件下，断裂模式转变为穿晶与穿层片扩展为主，相较于未处理状态，疲劳裂纹的扩展路径更加曲折，且出现了更多的二次裂纹数量，裂纹长度也明显增加，这种裂纹扩展路径的复杂化提高了疲劳过程中单位裂纹扩展所需的能量，从而延缓了主裂纹的快速失稳扩展。

不同处理参数下TNM合金的疲劳断口形貌（自上而下分别为Received样品与EST-1/2/3）

不同EST参数下TNM合金的二次裂纹扩展路径变化（自上而下分别为Received样品与EST-1/2/3）

不同EST参数下TNM合金亚表面断裂晶粒取向变化（自左而右分别为Received样品与EST-1/2/3）

③ 电冲击诱导异质界面原子有序重排，显著削弱局域应变集中

通过Cs校正TEM对异质界面进行原子尺度表征发现，EST-2处理后，α2/γ与β0/γ界面附近原子排列更加规整，界面邻近γ相一侧的平均晶面间距明显增大，表明原有的晶格压缩应力得到有效释放。与此同时，界面区域εyy应变分布由大幅波动转变为窄幅集中，局部应变集中程度大幅降低，这意味着电冲击并非简单“激活位错”，而是在界面尺度上重塑了力学协调变形条件，从微观上抑制了疲劳循环过程中裂纹萌生的概率。

EST前后α₂/γ（上）与β₀/γ（下）异质界面的原子结构与应变分布

EST对TNM合金位错影响的MD模拟

EST前后TNM合金位错变化的MD模拟统计

④ 电子/原子的非平衡耦合——疲劳强化的本质来源

模拟计算结果表明，在瞬态低频的电冲击作用下，大量定向漂移的自由电子与材料内异质界面处的高能亚稳态原子发生非平衡散射，实现了能量的定向传递，驱动界面原子向低势能构型的迁移，α2/γ与β0/γ界面区域的平均原子势能降低，整个体系趋于热力学稳定状态，而原子尺度的能量降低就意味着界面抗裂能力的本征提升。

EST前后Bo/y界面两侧原子面间距统计

TNM合金界面能变化

TNM合金异质界面重构与抗疲劳性能增强机制

【总结与展望】

该研究通过瞬态低频电冲击，在极低热输入条件下实现TNM合金异质界面的有序重构，延缓疲劳裂纹萌生与扩展，这一成果为第三代TiAl合金的高温疲劳失效提供了全新物理图像，也为航空航天高温结构材料的非热加工与界面调控开辟了新的研究方向。