半原位EBSD揭示镍基高温合金异常晶粒生长机制：能量场导向与孪晶协同作用新视角

本研究通过半原位电子背散射衍射（EBSD）技术首次捕获了变形镍基高温合金中异常大晶粒（ALGs）的动态形成过程。研究人员发现高晶粒取向扩展值（GOS）晶粒在能量场和高温协同作用下会限制低GOS晶粒的生长方向，而取向相似的聚集态低GOS晶粒（0-0.5°）通过晶界迁移和晶粒旋转合并形成ALGs，孪晶界的扩展进一步促进ALGs生长。该机制为控制异常晶粒生长提供了新理论依据。

　　

在航空航天和能源装备领域，镍基高温合金的力学性能直接取决于其微观组织特征。传统锻造工艺中出现的异常大晶粒（ALGs）会导致材料力学性能各向异性，但对其形成机制的认识长期停留在静态观察层面。现有理论难以解释ALGs在动态热机械处理过程中的突发性生长行为，这种认知空白严重制约了高性能合金的工艺优化。

为解决这一难题，来自辽宁某研究团队在《Scripta Materialia》发表的研究中，创新性地采用半原位电子背散射衍射（semi-in situ EBSD）技术，首次实现了对ALGs形成过程的动态追踪。研究发现，高晶粒取向扩展值（Grain Orientation Spread, GOS）晶粒会像"路障"一样限制周围低GOS晶粒的生长方向。在温度场和应变能场的协同作用下，取向相似（0-0.5°偏差）的低GOS晶粒集群会通过晶界迁移（grain boundary migration）和晶粒旋转（grain rotation）发生合并。令人惊讶的是，孪晶界（twin boundaries）的传播像"加速器"一样显著促进了ALGs的扩张。这种能量场导向与晶体学缺陷协同作用的新机制，突破了传统静态再结晶理论的认知边界。

关键技术方法包括：半原位EBSD实现多热循环过程连续观测；GOS定量分析系统建立晶粒能量状态评估模型；高温应变场同步加载装置模拟实际锻造条件。研究样本来自工业级锻造镍基合金坯料。

【研究结果】

1. 能量场约束效应
   高GOS晶粒（>1.5°）形成局部应变能壁垒，迫使相邻低GOS晶粒（<0.5°）沿特定取向生长。EBSD相图显示这种约束导致40%以上的低GOS晶粒取向偏差缩小至0.3°以内。

2. 晶粒合并动力学
   原位观测到3-5个低GOS晶粒通过<111>轴旋转实现取向对齐，伴随大角度晶界（>15°）消失。统计表明合并后的晶粒体积可达到初始晶粒的8-12倍。

3. 孪晶催化作用
   Σ3孪晶界迁移速度是普通晶界的2.3倍，其传播路径上ALGs的生长速率提升170%。共格孪晶界作为快速扩散通道，显著降低了晶界迁移激活能。

结论部分指出，该研究建立了"能量场筛选-取向协同-缺陷催化"的三阶段ALGs形成模型。相比传统热加工窗口控制方法，通过调控GOS梯度分布和孪晶密度，可使ALGs发生率降低60%以上。这一发现为开发新一代抗异常长大合金提供了理论基石，其动态观测方法学对多相材料的组织演变研究具有普适意义。讨论中特别强调，GOS与局部应变能的定量映射关系仍需建立更精确的物理模型，而纳米析出相对晶界钉扎效应的耦合作用将是未来研究重点。