定向再結晶比定向凝固工藝更具有優勢，但是由於缺乏定向再結晶的基本認識而阻礙了其商業化使用。本文研究了定向再結晶過程中可溶粒子對柱狀晶取向、晶界特徵和晶粒長寬比的影響，發現粒子溶解是柱狀晶生長的前提條件，織構釘扎是決定柱狀晶形成的關鍵因素。將有望推動定向再結晶商業化推廣快速應用。
作為一種固態加工方法，定向再結晶(directional recrystallization，DR)與定向凝固相比，在製備具有更高蠕變性能的單晶或柱狀晶材料方面具有以下幾個優點：提高了低周疲勞抗力，並表現出更好的止裂行為，這些都有助於降低製造成本。然而，與定向凝固不同的是，定向再結晶沒有被商業化使用，其中一個主要原因是對這種方法缺乏基本的瞭解。另一方面，關於初始微觀結構參數如何影響定向再結晶的研究很少，缺乏說服力或存在爭議。本文作者先前系統地研究了溶質對定向再結晶的影響。結果發現溶質阻力是通過降低晶界遷移率來降低拉伸速度上限的。而溶質通過縮小不同取向角度和不同取向軸的晶界遷移率差異來改變定向再結晶後的織構。
近日，來自美國達特茅斯學院塞耶工程學院（TSE）的一項最新研究發現，通過比較Ni-12Al和Ni-3Al的定向退火行為，研究了定向再結晶過程中可溶粒子對柱狀晶取向、晶界特徵和晶粒長寬比的影響。為此提供關於可溶性粒子如何影響二次再結晶的說明，並研究了織構對其性能的影響。相關論文以題為“Effect of soluble particles on microstructural evolution during directional recrystallization”發表在金屬材料領域頂刊Acta Materialia。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.02.015
在這項工作中，研究人員研究了含有兩種不同尺寸Ni3Al粒子的Ni-12Al合金定向再結晶過程中可溶粒子對組織演變的影響。研究發現，具有小粒子的Ni-12Al可以形成柱狀晶，但退火溫度高於無粒子的Ni-3Al，而含有大粒子的Ni-12Al在相同的退火參數下沒有形成柱狀晶。柱狀晶是在粒子溶解後才形成的。粒子溶解並不是柱狀晶形成的觸發因素，而僅僅是前提條件。粒子溶解時的織構決定了能否形成柱狀晶。如果粒子溶解後存在織構釘扎，則晶粒生長異常，形成柱狀晶；如果沒有織構釘扎，則不能形成柱狀晶，晶粒正常長大。
圖1. Ni-Al相圖
圖2. (a)Ni-12Al樣品的背散射電子像；(b)[001]極圖
圖3. (a)1000℃均勻化1h後在700℃退火48h的Ni-12Al合金的亮場圖像；(b)(a)在[001]區軸上的衍射圖；(c)在1000℃均勻化1h後在700℃退火30min的暗場圖像；(d)(c)在[001]區軸上的衍射圖樣
圖4.1200°C、(a)2mm/h、(b)5 mm/h、(c)10mm/h和(d)30 mm/h的小顆粒樣品Dred的EBSD圖；(e)是(c)中柱狀顆粒前面的小顆粒的[001]極圖(熱區運動是從左到右的)
圖5.(a)在1200°C、10 mm/h的大顆粒樣品Dred的EBSD圖。(b)(a)中白線右側對應的小顆粒的[001]極圖，它指示了發生明顯晶粒生長的邊界
總的來說，這項研究可發現粒子溶解是柱狀晶生長的前提條件，但無論是粒子粗化，還是粒子溶解，都不會直接觸發柱狀晶的形成。織構釘扎是決定柱狀晶形成的關鍵因素。如果粒子完全溶解後存在織構釘扎，則會形成柱狀晶，如果沒有織構釘扎，晶粒會正常長大，不能形成柱狀晶。晶粒長大前的粒子溶解孕育時間的存在導致了柱狀晶粒織構、晶界特徵和晶粒長寬的變化。本研究為可溶性粒子如何影響二次再結晶奠定了堅實的理論基礎指導，有望推動定向再結晶商業化推廣快速應用。（文：馮馮）
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