《Materials Science and Engineering: A》：Harnessing interactive dynamic recrystallization to promote solid-state bonding in IN718 superalloy
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吴仁豪|耿培豪|马宏|朴孝珍|马宁书|马云武|刘慧红|秦国亮|李淑慧|金贤燮上海交通大学机械工程学院数字化制造薄壁结构重点实验室与机械系统与振动国家重点实验室，中国上海200240摘要镍基超级合金因其良好的机械性能、耐腐蚀性和可成形性而被认为是半导体组件的理想材料。本研究探讨了高
吴仁豪|耿培豪|马宏|朴孝珍|马宁书|马云武|刘慧红|秦国亮|李淑慧|金贤燮
上海交通大学机械工程学院数字化制造薄壁结构重点实验室与机械系统与振动国家重点实验室，中国上海200240
摘要
镍基超级合金因其良好的机械性能、耐腐蚀性和可成形性而被认为是半导体组件的理想材料。本研究探讨了高强度Inconel 718（IN718）超级合金中的动态再结晶（DRX）路径，并阐明了在不同等温压缩条件下的热机械结合机制。在低应变率下，不连续的DRX占主导地位，并产生了晶界锯齿化现象。在高应变率下，不连续-连续的DRX路径开始相互作用。非局部晶体塑性模拟表明，双模态晶粒结构对微观结构的机械响应至关重要。激活的几何必要位错介导了背应力强化效应。优化受约束的位错滑移方向可以最大化位错存储能力。关于固态结合IN718的这些见解为界面修复和灵活调整微观结构异质性提供了可靠的方法，从而改善了应变分配和机械性能。本研究的结果适用于组件修复和承压设备的设计。
引言
Inconel 718（IN718）是一种以优异的强度、抗蠕变性和耐腐蚀性著称的镍基超级合金，已广泛应用于航空航天涡轮发动机和核反应堆，并越来越多地应用于半导体制造设备，如精密压力传感器和高温反应室[1,2]。对于在恶劣环境中运行的承压设备[3]（包括半导体制造系统），实现镍基组件的可靠结合至关重要，以避免因界面缺陷或微观结构退化而导致的故障[4]。虽然基于熔化的焊接技术常常会在IN718中引入有害相（例如Laves相）和液化裂纹[5]，但固态结合技术（如热压缩结合（HCB）通过可控的热机械处理抑制了这些缺陷[6,7]，从而提供了有前景的替代方案。HCB过程利用协同的热机械效应激活界面晶界迁移，从而消除氧化物并促进冶金结合。
HCB的结合质量取决于界面微观结构的演变，这由动态再结晶（DRX）机制控制[8,9]。目前的理解表明，DRX机制的选择明显依赖于应变率[10,11]。在准静态条件下（通常<0.1 s?1），不连续的DRX（DDRX）通过晶界膨胀和经典的项链形核过程占主导[11,12]。然而，在较高应变率下，再结晶模式转变为连续的DRX（CDRX），其特征是渐进的亚晶粒旋转和系统的位错重排[13,14]。最近，Wen等人[15]提出了一种基于深度学习的模型来分析镍基超级合金的应变率依赖性热机械加工响应。关于这些应变率依赖的DRX转变如何影响界面固态结合质量的基本知识仍存在空白[7]。再结晶路径选择与无缺陷界面演变之间的潜在传递机制尚未得到充分解释，因此需要从机制上研究应变率调节的晶界动力学[16]。Yang等人[17]报告称，CDRX和DDRX机制在局部变形范围内的相互作用是协同和竞争性的。这些相互作用直接主导了界面晶粒的成核和生长，导致了独特的微观结构演变模式。
值得注意的是，界面区域附近异质微观结构特征的演变（包括锯齿状晶界结构和局部再结晶梯度）对加工参数非常敏感[18]。这种加工诱导的微观结构异质性通过两种主要途径影响界面强度：热加速沉淀物溶解，从而削弱了沉淀强化[19,20]；以及应变适应能力不足。同时，界面空洞或残留氧化膜的保留也会成为应力集中源，通过提前裂纹的产生显著降低机械完整性。
这种界面复杂性在结合部件中引起了独特的应变硬化响应。首先，非再结晶区和再结晶区之间的异质应变分配产生了大量的背应力，增强了位错存储能力[21]。其次，软硬微观结构区域之间的应变不兼容性促进了界面边界处几何必要位错（GND）的积累，通过位错森林效应产生了额外的硬化[22,23]。这些互补强化机制的协同作用提高了强度，同时保持了良好的延展性，从而打破了均匀微观结构固有的经典权衡范式[24,25]。Ren等人[26]系统地研究了通过阐明粗晶粒和细晶粒界面之间的粘塑性变形行为来揭示修复机制，为均匀和异质微观结构中的应变分配提供了关键见解。他们的发现表明，可以通过策略性地设计界面异质性来超越传统的加工限制，从而通过晶粒尺度结构优化机械性能。然而，仍有几个研究空白需要解决：（i）缺乏关于变形参数对IN718超级合金界面结合质量综合影响的系统研究；（ii）对结合界面处DRX控制机制的理解不足；（iii）缺乏将热压缩条件与界面修复效率联系起来的理论解释。
为了解决这些研究空白，本研究系统地研究了IN718在不同热机械条件下的热压缩结合行为，重点关注应变率依赖的交互式DRX机制及其与结合稳定性的相互作用。结合先进的微观结构表征和晶体塑性（CP）框架，本研究旨在阐明在不同应变率下结合界面处DDRX和CDRX之间的机制转变和相互作用。它还阐明了这些DRX路径如何影响微观结构异质性、界面缺陷的消除以及最终的机械性能。最终，建立了通过定制微观结构控制来优化IN718结合完整性的加工指南。通过弥合应变率依赖的DRX行为与界面结合性能之间的知识空白，本研究为极端环境下的高性能承压组件的稳健固态结合过程设计提供了新的见解。
章节摘录
热压缩结合过程和样品测试
用于HCB的IN718棒材直径为8毫米，长度为6毫米，如图1a所示。使用Gleeble-3500热机械模拟器在960至1080°C的温度、0.01～1 s?1的应变率和15～60%的压缩比下进行HCB测试。样品以10°C?s?1的加热速率加热到目标温度，并在压缩前保持1分钟。主要的HCB参数列在表1中。压缩前，IN718的两个接触表面
HCB过程中的微观结构演变
图2显示了在1080°C温度下、不同应变率和应变率下压缩的样品的逆极图（IPF）和晶粒类型分布图。在0.01 s?1的应变率下，接头的结合线仍然部分可见，在15%的压缩比下观察到相对平坦的界面。尽管随着压缩比的增加，再结晶程度和晶粒细化程度有所提高，但在15%和30%之间没有观察到显著差异
结论
本研究系统地证明了HCB处理后的IN718接头中热机械加工参数、界面演变、机械性能和微观结构特征之间的显著相关性。主要结论总结如下。
(1)界面修复主要由交互式DRX控制，而不是原子扩散。在研究的加工窗口内，压缩比为15% ～60%，应变率为0.01 ～ 1 s?1 - 温度（960 ～
CRediT作者贡献声明
吴仁豪：概念化、数据管理、研究、项目管理、初稿撰写、审稿与编辑。耿培豪：数据管理、资金获取、研究、方法论、审稿与编辑。马宏：数据管理、研究、方法论、监督。朴孝珍：研究、方法论。马宁书：研究、方法论。马云武：研究、方法论。刘慧红：研究、方法论。秦国亮：研究，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（编号：52575418）和山东省自然科学基金（资助编号：ZR2020QE178）的财政支持。作者还非常感谢韩国国家研究基金会（NRF）（由韩国政府MSIP资助）（NRF-2022R1A5A1030054）的财政支持。这项工作还得到了日本大阪大学连接与焊接研究所的资助
