《Journal of Materials Science & Technology》：A comprehensive review of additive manufacturing of tantalum and its alloys: materials, processing and properties
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本研究针对高合金化镍基高温合金均质化处理后形成的毫米级粗大晶粒在开坯过程中难以细化的问题，系统研究了1150°C/0.1s-1条件下不同应变(0.11-0.92)的热变形过程。通过OM和EBSD表征发现，屈服下降现象源于初始可动位错缺失及其快速增殖；晶粒细化主要通过差异晶格旋转和局部晶格旋转实现；动态再结晶(DRX)首先在原始晶界和孪晶界通过晶界凸起形核，随后过渡带通过二次不连续动态再结晶(DDRX)和亚晶旋转成为优先形核位点。该研究为毫米级粗晶高温合金的开坯过程微观结构精确控制提供了理论依据。
在航空发动机不断追求更高推重比的今天，涡轮盘用高温合金的服役温度已逐步提高至750°C，这对合金的高温性能提出了极致要求。然而，高合金化在提升性能的同时，也带来了严重的成分偏析问题，极大地增加了热加工难度。为解决这一矛盾，工业生产中通常采用长时间高温均质化处理来消除铸锭中的元素偏析，但这种方法往往会形成毫米级的非均匀粗大晶粒。这些粗晶组织不仅导致合金强度和塑性下降，更严重的是，有限的晶界数量会强烈抑制传统动态再结晶过程，使得在后续的开坯过程中难以实现有效的晶粒细化。这一瓶颈问题严重制约了高性能航空部件的制造，迫切需要深入理解均质化高温合金在热变形过程中的微观组织演化机制。
为攻克这一难题，西北工业大学材料科学与工程学院的研究团队在《Journal of Materials Science》上发表了一项创新性研究，系统揭示了均质化Ni-Co-Cr高温合金在热变形过程中的流动行为与微观组织演化规律。研究人员选择了一种高γ′相含量的Ni-Co-Cr高温合金作为研究对象，该合金经过真空感应熔炼、电渣重熔和真空电弧重熔三联工艺制备，并经过两阶段均质化热处理，最终获得直径为410毫米的铸锭。通过从铸锭粗晶区域沿轴向取样，制备了Φ10×15毫米的圆柱形试样。
研究团队主要运用了热模拟压缩实验结合微观组织表征的技术路线。在Gleeble-3500热模拟试验机上进行单轴压缩实验，变形温度设定为1150°C（基于γ′相固溶温度确定），应变率为0.1s-1，选取0.11、0.36和0.92三个真应变水平来追踪热变形过程和微观组织演化。变形后试样立即水淬以保留高温微观组织。表征手段包括光学显微镜(OM)观察和电子背散射衍射(EBSD)分析，其中EBSD数据通过Oxford Instruments HKL Channel5软件进行处理，步长根据需要在1-5微米之间调整，重点关注晶粒细化和DRX行为。
3.1 特殊流动行为
研究发现均质化Ni-Co-Cr高温合金表现出明显的屈服下降现象，流变曲线呈现四阶段特征。通过几何必需位错(GND)密度分析表明，屈服下降源于均质化状态下可动位错缺失及其在塑性变形初始阶段的快速增殖。根据Orowan模型和Johnston-Gilman模型，当可动位错密度极低时，为维持恒定应变率，位错平均速度必须增加，导致上屈服点出现；随后塑性变形启动且位错快速增殖，引起应力显著降低，形成下屈服点。
3.2 微观组织演化
在真应变为0.11时，试样保留初始均质化特征，但晶界出现明显凸起形成锯齿状晶界，表明以晶界凸起为特征的不连续动态再结晶(DDRX)已被激活。当真应变增加至0.36时，原始晶界和孪晶界逐渐被DRX晶粒取代，同时初始毫米级粗大晶粒通过局部晶格旋转被分割成多个区域，过渡带形成并积累大量位错。当真应变达到0.92时，原始晶界和孪晶界被交织的DRX带所取代，局部晶格旋转导致粗大晶粒被细分成多个具有独立取向的部分，在窄间距区域形成一系列平行的穿晶带状亚结构。
3.3 晶粒细化及其内在机制
晶粒破碎主要通过两种机制实现：一是差异晶格旋转，由于局部区域主导滑移系改变而触发；二是局部晶格旋转，由单个晶粒内滑移变形的不均匀激活引起。滑移迹线分析证实，每个区域的初级滑移系被激活，这些区域沿初级滑移面滑移。DRX形核机制随变形阶段变化：早期阶段，DRX晶粒主要通过原始晶界和畸变孪晶界的晶界凸起形核（初级DDRX）；后期阶段，随着初级DDRX形核位点耗尽，过渡带成为DRX优先形核位置，次级DDRX和过渡带内激活的CDRX成为主导机制。
研究结论表明，均质化Ni-Co-Cr高温合金的屈服下降现象归因于均质化状态下可动位错缺失及其在塑性变形初始阶段的快速增殖。晶粒细化主要通过差异晶格旋转和局部晶格旋转实现，而DRX过程呈现明显的阶段性特征：早期以原始晶界和孪晶界的初级DDRX为主，后期则过渡到以过渡带为形核位置的次级DDRX和CDRX为主。在多种机制的协同作用下，初始粗大晶粒被有效细化，原始晶界、孪晶界和过渡带逐渐被DRX晶粒取代，最终形成由大量细小DRX晶粒组成的带状结构。
这项研究的重要意义在于系统阐明了均质化高温合金在热变形过程中的微观组织演化机制，特别是揭示了毫米级粗晶材料特有的晶粒细化规律和DRX形核机制。研究结果不仅深化了对高温合金热变形行为的理解，更重要的是为高合金化高温合金铸锭开坯过程的工艺优化和微观组织精确控制提供了理论指导和工艺参考，对突破高性能航空发动机关键部件的制造瓶颈具有重要价值。
