FGH96合金切削表层微纳米动态再结晶机制的多尺度表征及其对高温服役性能的影响

为解决粉末冶金高温合金FGH96切削表层晶粒细化机制不明的问题，研究人员通过SEM/EBSD/TEM多尺度表征结合热-力耦合分析，揭示了亚晶旋转主导的连续动态再结晶(CDRX)与γ'相溶解协同作用机制，为航空发动机关键部件高性能加工提供理论支撑。

　　

在航空发动机领域，粉末冶金高温合金FGH96因其优异的高温性能成为涡轮盘等关键部件的首选材料。然而，这种合金在切削加工时面临严峻挑战：导热性差导致刀具磨损严重，切削过程中高达10³
-10⁵
s^-1
的应变速率和10⁶
°C/s的瞬时温变会形成与基体截然不同的加工表层组织。更棘手的是，传统基于热处理过程的再结晶理论无法解释这种极端条件下微纳米晶粒的形成机制，而γ'强化相（占体积33%）在切削过程中的行为更是研究盲区。

山东大学的研究团队在《Materials Today Communications》发表的研究，通过独创性的多尺度表征方法，首次揭示了FGH96切削表层动态再结晶的"双轨机制"。研究采用正交切削实验获取样本，结合SEM（扫描电镜）、EBSD（电子背散射衍射）和TEM（透射电镜）进行跨尺度观测，并借助EDS（能谱分析）追踪元素分布。特别创新的是，通过分析切削表层沿深度方向的梯度结构，反演了动态再结晶的时空演化过程。

【材料与方法】
研究选用HIP（热等静压）成型的FGH96合金，其γ'相体积分数达35%。采用正交切削实验模拟实际加工条件，通过改变切削参数调控热-力载荷。关键创新在于建立"深度-组织"对应关系：利用从表层到基体的梯度特征，替代难以捕捉的瞬态过程。

【原始微观结构】
OM（光学显微镜）显示材料存在原始颗粒边界(PPB)缺陷，这种异质结构为后续动态再结晶提供了特殊形核位点。高倍观测发现γ'相呈立方体形态均匀分布，其稳定性直接影响后续切削过程中的再结晶行为。

【动态再结晶机制】
EBSD定量分析揭示切削表层存在1-5μm的等轴晶和50-200nm的纳米晶混合结构。研究提出突破性观点：亚晶旋转主导的连续动态再结晶(CDRX)是主机制，同时存在不连续动态再结晶(DDRX)的辅助作用。TEM原位观察捕捉到亚晶界演化为大角度晶界的全过程，应变速率敏感指数分析证实CDRX在超高应变速率下的主导地位。

【γ'相的关键作用】
EDS元素图谱显示γ'相发生部分溶解，且在溶解区域附近检测到新晶核。这表明γ'相不仅通过钉扎效应阻碍晶界迁移，其溶解释放的Al/Ti元素还促进晶界处形核，这种"溶解-形核"耦合效应是PM合金特有的再结晶特征。

【结论与意义】
该研究建立了FGH96切削表层组织演变的"热力载荷-γ'相行为-再结晶机制"关联模型，突破传统热处理理论的局限。实践层面，提出通过调控切削参数控制γ'相溶解程度，可实现表层晶粒尺寸的主动设计。理论层面，揭示的"亚晶旋转主导+γ'相辅助"双轨机制，为其他难加工材料表层改性提供新思路。国家自然科学基金资助的这项成果，对发展航空发动机关键部件"性能可控"加工技术具有里程碑意义。