《Acta Mater》可溶粒子对定向再结晶过程的显微组织影响！

定向再结晶比定向凝固工艺更具有优势，但是由于缺乏定向再结晶的基本认识而阻碍了其商业化使用。本文研究了定向再结晶过程中可溶粒子对柱状晶取向、晶界特征和晶粒长宽比的影响，发现粒子溶解是柱状晶生长的前提条件，织构钉扎是决定柱状晶形成的关键因素。将有望推动定向再结晶商业化推广快速应用。

作为一种固态加工方法，定向再结晶(directional recrystallization，DR)与定向凝固相比，在制备具有更高蠕变性能的单晶或柱状晶材料方面具有以下几个优点：提高了低周疲劳抗力，并表现出更好的止裂行为，这些都有助于降低制造成本。然而，与定向凝固不同的是，定向再结晶没有被商业化使用，其中一个主要原因是对这种方法缺乏基本的了解。另一方面，关于初始微观结构参数如何影响定向再结晶的研究很少，缺乏说服力或存在争议。本文作者先前系统地研究了溶质对定向再结晶的影响。结果发现溶质阻力是通过降低晶界迁移率来降低拉伸速度上限的。而溶质通过缩小不同取向角度和不同取向轴的晶界迁移率差异来改变定向再结晶后的织构。

近日，来自美国达特茅斯学院塞耶工程学院（TSE）的一项最新研究发现，通过比较Ni-12Al和Ni-3Al的定向退火行为，研究了定向再结晶过程中可溶粒子对柱状晶取向、晶界特征和晶粒长宽比的影响。为此提供关于可溶性粒子如何影响二次再结晶的说明，并研究了织构对其性能的影响。相关论文以题为“Effect of soluble particles on microstructural evolution during directional recrystallization”发表在金属材料领域顶刊Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.02.015

在这项工作中，研究人员研究了含有两种不同尺寸Ni3Al粒子的Ni-12Al合金定向再结晶过程中可溶粒子对组织演变的影响。研究发现，具有小粒子的Ni-12Al可以形成柱状晶，但退火温度高于无粒子的Ni-3Al，而含有大粒子的Ni-12Al在相同的退火参数下没有形成柱状晶。柱状晶是在粒子溶解后才形成的。粒子溶解并不是柱状晶形成的触发因素，而仅仅是前提条件。粒子溶解时的织构决定了能否形成柱状晶。如果粒子溶解后存在织构钉扎，则晶粒生长异常，形成柱状晶；如果没有织构钉扎，则不能形成柱状晶，晶粒正常长大。

图1. Ni-Al相图

图2. (a)Ni-12Al样品的背散射电子像；(b)[001]极图

图3. (a)1000℃均匀化1h后在700℃退火48h的Ni-12Al合金的亮场图像；(b)(a)在[001]区轴上的衍射图；(c)在1000℃均匀化1h后在700℃退火30min的暗场图像；(d)(c)在[001]区轴上的衍射图样

图4.1200°C、(a)2mm/h、(b)5 mm/h、(c)10mm/h和(d)30 mm/h的小颗粒样品Dred的EBSD图；(e)是(c)中柱状颗粒前面的小颗粒的[001]极图(热区运动是从左到右的)

图5.(a)在1200°C、10 mm/h的大颗粒样品Dred的EBSD图。(b)(a)中白线右侧对应的小颗粒的[001]极图，它指示了发生明显晶粒生长的边界

总的来说，这项研究可发现粒子溶解是柱状晶生长的前提条件，但无论是粒子粗化，还是粒子溶解，都不会直接触发柱状晶的形成。织构钉扎是决定柱状晶形成的关键因素。如果粒子完全溶解后存在织构钉扎，则会形成柱状晶，如果没有织构钉扎，晶粒会正常长大，不能形成柱状晶。晶粒长大前的粒子溶解孕育时间的存在导致了柱状晶粒织构、晶界特征和晶粒长宽的变化。本研究为可溶性粒子如何影响二次再结晶奠定了坚实的理论基础指导，有望推动定向再结晶商业化推广快速应用。（文：冯冯）