導讀：
回顧了近幾十年來鎳基單晶高溫合金定向凝固過程中晶粒競爭生長機制的研究歷程，並介紹了近年來在定向凝固晶粒競爭生長研究方面的工作進展，最後展望了其未來的發展方向。
隨著先進航空發動機推動比和渦輪前溫度的持續升高，渦輪葉片需要在更嚴苛的高溫高壓環境下，長期承受熱應力和離心力的互動作用。目前主要透過提高渦輪葉片材料承溫能力，最佳化防護塗層設計和改進葉片冷卻技術3種途徑來滿足先進航空發動機渦輪葉片對高溫效能的苛刻要求。縱觀先進航空發動機幾十年來的發展歷程，採用新型含Re鎳基單晶高溫合金，製備具有複雜冷卻通道的大尺寸渦輪葉片，並在葉片表面塗覆先進熱障塗層，已成為繼續提升新型航空發動機關鍵熱端部件整體效能的有效手段和必然趨勢。
對於面心立方結構(fcc)的鎳基單晶高溫合金來說，<001>取向是其擇優生長方向，即生長速度最快的方向。同時，<001>取向的鎳基單晶高溫合金也具有最佳的綜合性能。為此，通常採用選晶技術或者籽晶技術與定向凝固技術相結合製備<001>取向平行於主應力軸，具有良好綜合性能的鎳基單晶高溫合金葉片。但是，隨著新型含Re鎳基單晶高溫合金的廣泛應用和先進單晶渦輪葉片尺寸大型化、結構複雜化，葉片製備過程中特別容易出現取向偏離、小角晶界、雜晶形核與長大等一系列問題，顯著降低了單晶葉片的合格率，大幅增加了製備成本，嚴重限制了單晶葉片的工程化應用。從本質上講，取向偏離，小角度晶界和雜晶等凝固缺陷形成問題，都是定向凝固過程中擇優取向晶粒（晶粒取向接近<001>）和非擇優取向晶粒（晶粒取向偏離<001>）之間的競爭生長問題。因此，為了改進現有單晶製備技術，減少定向凝固過程中的鑄造缺陷，提高單晶葉片質量，必須深入研究定向凝固的理論基礎——晶粒之間的競爭生長機制。
1 Walton-Chalmers經典競爭生長模型
對於晶粒競爭生長機制的研究起源於20世紀50～60年代。1959年前後，WALTON D等和CHALMER B在研究Pb-Ag合金凝固過程中不同取向晶粒之間的生長行為時，率先提出了經典的競爭生長理論，認為熱力學過冷和成分過冷是導致柱狀晶區的各向異性生長，並最終出現擇優生長現象的主要原因。RAPPAZ M等和GANDIN C A 等繼承並發展了這一理論，在過冷度控制著晶粒競爭生長行為的基礎上，構建了晶粒競爭生長的溫度場模型，見圖1。晶粒A1和晶粒A2為擇優取向的晶粒，晶粒B為非擇優取向的晶粒，並與擇優取向的晶粒A1和A2有q的偏差（相對於溫度梯度的方向）。如果非擇優取向晶粒B要保持與晶粒A1和A2沿溫度梯度方向有相同的生長速度，其枝晶尖端就需要以
的速度生長，因而在枝晶前端需要更大的過冷度。這樣，競爭生長過程中，非擇優取向晶粒B的枝晶前沿就會落後於擇優取向晶粒A1和A2。根據晶粒A和B之間的取向關係，會出現匯聚生長（圖1中A1和B）和發散生長（圖1中B和A2）兩種情況。匯聚生長中，由於晶粒B落後於晶粒A1，晶粒B的枝晶會在晶界處撞上晶粒A1，停止生長，始終無法超過晶粒A1。發散生長中，由於在晶界附近會出現一個有利於高次枝晶生長的空間，因而晶粒A2會分枝出高次枝晶，擠壓晶粒B的生長空間。兩種情況下，擇優取向晶粒A1和A2存活下來，而非擇優取向晶粒B則會被擠掉，最終消失。溫度場模型的最終結果是，擇優取向的晶粒A透過競爭生長保留下來，也被稱為擇優生長。
圖1 Walton-Chalmers經典競爭生長模型
2溶質場競爭生長模型
在過去的20多年中，Walton-Chalmers這一經典競爭生長模型和結論逐漸被越來越多的研究人員接受和認可，常被用來解釋競爭生長過程中的一些試驗現象。但是，隨著人們對晶粒之間競爭生長行為的研究不斷深入，研究人員發現許多的試驗現象不符合該經典模型，或無法用該溫度場模型解釋。自2008年起，ZHOU Y Z等透過一系列雙晶試驗，發現了匯聚雙晶試樣在低抽拉速率條件下，非擇優晶粒會超過擇優晶粒的異常現象。2012年， LI J J等、WANG Z J等、TAKAKI T等、TOURRET D等和CLARKE A J等分別利用相場法在Ni基高溫合金和Al-Cu合金中重現了匯聚情況下非擇優取向晶粒超過擇優取向晶粒的現象。為了解釋這一反常現象，他們提出了晶粒競爭生長的溶質場模型，見圖2。研究認為，由於匯聚情況下不同取向晶粒的枝晶在晶界發生聚集，造成晶界附近溶質互動作用很強烈，顯著影響晶界附近的枝晶生長，導致晶界附近的枝晶落後於遠離晶界的枝晶，即圖2中晶界附近擇優取向的枝晶②落後於遠離晶界擇優取向的枝晶④，晶界附近非擇優取向的枝晶①落後於遠離晶界非擇優取向的枝晶③。這樣，晶界附近的非擇優取向的枝晶①和擇優取向的枝晶②在糊狀區的枝晶前沿的位置很接近，最終導致非擇優晶粒既有超過擇優晶粒的可能（圖2①），也有被擇優取向晶粒阻擋的可能性（圖2②）。最終，在匯聚情況下，非擇優取向晶粒B逐漸擠掉擇優取向晶粒A1。
圖2 溶質場控制的競爭生長模型
3 三維取向關係下的競爭生長模型
現有溫度場模型和溶質場模型擴充套件了人們對競爭生長機制的認識，成功地解釋了競爭生長過程中很多常見試驗現象，為深入理解和掌握競爭生長機制奠定了堅實的基礎。但是，競爭生長過程中的一些基本問題仍然沒有得到徹底解決。首先，無論是溫度場模型，還是溶質場模型都是在二維取向關係下對晶粒的競爭生長行為進行研究，而實際晶粒的取向關係是三維的，要比二維情況複雜很多。其次，現有研究工作對匯聚情況下晶粒的競爭生長行為和相應的控制機制還存在比較嚴重的分歧和爭議，溫度場模型和溶質場模型在匯聚情況下存在不可調和的矛盾。再者，現有研究大都是人為地把溫度場和溶質場分開，著重強調了單一控制因素（溫度場或溶質場）對競爭生長行為的影響，忽視了定向凝固過程中溫度場和溶質場之間的互動作用，也未能充分說明這些控制因素的作用方式和影響範圍。而實際的競爭生長過程中，溫度場和溶質場是一個整體，二者透過協同作用共同影響晶粒的競爭生長行為。此外，現有針對競爭生長的研究主要集中於晶粒的匯聚情況，而忽略了異面情況和發散情況這兩種基本取向關係下晶粒的競爭生長行為。最後，現有研究更多關注宏觀尺度的溫度場、溶質場和流場等，或者介觀尺度的枝晶生長，枝晶取向等，尚未從微觀尺度上闡明晶粒競爭生長過程及顯微組織（γ相、γ’相形貌、尺寸、數量，晶體取向，位錯組態等）的演化規律，無法解釋晶粒競爭生長行為與顯微組織特徵之間的響應關係，而顯微組織演化與晶粒之間的競爭生長行為其實是密不可分的。
在本研究的前期工作中，擴充套件了晶粒的取向關係，提出了異面生長這一雙晶的基本取向關係，成功將雙晶的二維取向關係擴充套件到三維。隨後，透過試驗和模擬相結合的方法，初步研究了三維取向關係下晶粒的競爭生長行為。結果表明，競爭晶粒的生長是由溫度場和溶質場的協同作用控制的，其控制方式與擇優取向晶粒和非擇優取向晶粒之間的取向偏差有關。在匯聚情況下，當非擇優取向晶粒取向偏差較小時，非擇優取向晶粒佔據優勢，溶質場主導競爭晶粒生長過程，見圖3a和圖3b；當非擇優取向晶粒取向偏差較大時，擇優取向晶粒開始佔據優勢，晶粒競爭生長過程的控制因素逐漸由溶質場轉變為溫度場，見圖3c和圖3d。為了解釋匯聚情況下競爭生長由溶質場控制向溫度場控制的這一反常轉變，提出了與雙晶取向偏差相關的溫度場-溶質場協同控制模型，並透過一個臨界取向偏差qcm來確定該轉變的臨界條件。
圖3 匯聚情況下晶粒競爭生長的示意圖
(a) 縱截面和 (b) 橫截面，溫度場-溶質場協同控制的競爭生長過程：(c) 縱截面和 (d) 橫截面，溫度場控制的競爭生長過程：(e)縱截面和 (f) 橫截面
在此基礎上，為了研究取向演化規律與γ相、γ’相等顯微組織的關聯性，還利用了HR-EBSD技術，在取向偏差為0o/20o的雙晶試樣中觀察了晶界附近的取向演化情況。結果表明，在0o/20o雙晶試樣晶界處1～2 mm的範圍內（2～3個γ’相的距離），晶體取向在γ’相中呈連續變化，而在γ相和γ’相相介面附近與γ通道內，晶體取向發生明顯偏轉，見圖4。γ相為細窄的連續通道，硬度較低；而硬度較高的γ’析出相呈現為大小不一、形狀不規則的立方塊狀。根據這一結果，初步推測是由於定向凝固過程中產生的收縮應力引起了枝晶取向發生了宏觀性枝晶偏轉，見圖4e。而圖4f中，晶界附近γ’相內部和γ通道中不同的取向偏轉特徵則與γ相和γ’相的凝固順序和力學效能差異有關。也就是說，從微觀尺度上晶界處的γ相和γ’相的組織特徵和取向演化規律與定向凝固過程中的溫度場、溶質場分佈，以及晶界處的枝晶生長行為密切相關。
但是，現有研究工作還處於唯象階段，未能系統地闡明晶粒競爭生長過程中晶粒取向，生長工藝與顯微組織（γ相、γ’相形貌、尺寸、數量，晶體取向）之間的關聯性，尚未揭示晶粒競爭生長過程中顯微組織、介觀組織（枝晶生長，枝晶取向）和宏觀控制因素（溫度場和溶質場）之間響應關係，以及建立滿足多尺度條件下的晶粒競爭生長模型。此外，現有研究仍主要集中於晶粒的匯聚情況，而對異面情況和發散情況這兩種基本取向關係下晶粒的競爭生長行為關注較少，更為深入的研究工作亟待開展。
圖4 晶界處γ相、γ’相組織特徵和晶粒取向演化規律
(a) SEM，(b) SEM區域性放大；(c) EBSD，(d) HR-EBSD區域性放大；(e) 晶體取向演化，(f) 晶界附近取向演化規律.
4 未來競爭生長領域的研究方向
縱觀幾十年來晶粒競爭生長領域的研究歷程，從最初觀察Pb-Ag合金中枝晶生長行為，到系統總結了過冷度與晶粒競爭生長規律的基礎上提出溫度場模型，再到透過反常試驗現象——非擇優晶粒的異常生長歸納出溶質場模型，直到現階段嘗試融合溫度場模型和溶質場模型，有針對性地提出溫度場-溶質場協同控制模型，定義臨界偏轉角度的概念用以區分溫度場和溶質場的控制方式和作用範圍，研究人員對晶粒競爭生長行為的認識逐漸加深，對競爭生長機制方面的研究也在有條不紊地推進。目前，競爭生長領域的研究工作正在從表觀試驗現象的唯象階段向介觀-微觀機制的系統歸納總結階段逐步深化，未來以下幾個方面的工作仍有待解決。
4.1 匯聚情況下晶粒的競爭生長機制
現有研究工作重點關注匯聚情況下晶粒的競爭生長行為和相應的控制機制，但相關研究結果還存在比較嚴重的分歧，始終無法達成一致。溫度場模型認為，定向凝固過程中的熱力學過冷和成分過冷控制著晶粒的競爭生長行為，由於非擇優取向晶粒的生長方向與溫度梯度的方向存在偏差，因而需要更大的過冷度才能在溫度梯度方向上與擇優生長的晶粒保持一致，導致非擇優取向晶粒的枝晶前端落後於擇優取向的晶粒，並最終被擇優取向的晶粒擠掉。而溶質場模型則認為，匯聚情況下不同取向晶粒的枝晶在晶界發生聚集造成晶界附近存在強烈的溶質互動作用，導致晶界附近的枝晶落後於遠離晶界的枝晶，最終非擇優取向晶粒逐漸擠掉擇優取向晶粒。因此，匯聚情況下溫度場模型和溶質場模型在晶粒競爭生長的最終結果存在著嚴重的分歧。為了調和溫度場模型和溶質場模型之間的矛盾，提出了溫度場-溶質場協同控制模型，即晶粒的競爭生長是由溫度場和溶質場的協同作用控制的，控制方式與擇優取向晶粒和非擇優取向晶粒之間的取向偏差有關。在匯聚情況下，當非擇優取向晶粒取向偏差較小時，非擇優取向晶粒佔據優勢，溶質場主導競爭晶粒生長過程；當非擇優取向晶粒取向偏差較大時，擇優取向晶粒開始佔據優勢，晶粒競爭生長過程的控制因素逐漸由溶質場轉變為溫度場。但是，該模型還未能從本質上說明隨著偏轉角度的增加，競爭生長過程的主導控制因素從溶質場向溫度場轉變的根本原因。其次，該模型未得到大量競爭生長試驗資料的支援，也未得到競爭生長領域研究人員的廣泛認可。綜上所述，匯聚情況下晶粒的競爭生長機制仍是競爭生長領域的研究熱點。
4.2 三維取向關係下晶粒的競爭生長機制
在二維取向關係下，雙晶取向關係可以分為匯聚關係和發散關係。無論是溫度場模型，還是溶質場模型都是在二維取向關係下對晶粒的競爭生長行為進行研究。但是，實際晶粒的取向關係是三維的，除了匯聚關係和發散關係以外，還存在著第三種基本取向關係：異面關係，這要比二維情況的匯聚關係和發散關係複雜很多。現階段的研究工作只是初步研究了三維取向關係的幾何特徵和表徵方式，以及在三維取向關係下晶粒的競爭生長行為。而對於三維取向關係中晶粒的生長行為和取向特徵之間的關聯性，以及取向特徵、枝晶生長規律、競爭生長的主導因素、控制方式和作用範圍等機理方面的問題，仍缺少進一步的深入研究。因此，競爭生長領域未來的另一個研究重點是：三維取向關係下晶粒的競爭生長機制，以及競爭生長過程中的主導因素、控制方式和作用範圍。
4.3 不同尺度下晶粒競爭生長機制與關聯性
現有的關於晶粒競爭生長的研究更多地關注宏觀尺度條件下的溫度場、溶質場和流場等對晶粒競爭生長行為的影響，或者透過相場模擬等手段研究介觀尺度下不同取向枝晶的競爭生長行為。現有的溫度場模型和溶質場模型都沒有嘗試從微觀尺度上描述晶粒競爭生長過程，及該過程與顯微組織（g相、g’相形貌、尺寸、數量、晶體取向、位錯組態等）的演化規律之間的聯絡，未能澄清晶粒競爭生長行為與顯微組織特徵之間的響應關係，更無法將宏觀-介觀-微觀等多尺度條件下晶粒的競爭生長行為進行歸納總結，明確尺度條件-競爭生長行為和生長機制-主導因素、控制方式和作用範圍之間的響應關係，並在此基礎上構建多尺度條件下的競爭生長模型。因此，現有研究在多尺度條件下晶粒的競爭生長機制，特別是微觀尺度下晶粒的競爭生長機制，及其與顯微組織（g相、g’相形貌、尺寸、數量、晶體取向、位錯組態等）關聯性方面仍處於空白，是未來競爭生長領域研究的另一個重點。
本文來自於《特種鑄造及有色合金》2021年第41卷第11期高溫合金及單晶葉片專題。作者：孟祥斌
文獻引用：孟祥斌,李金國,王歡,等.鎳基單晶高溫合金競爭生長機制的研究及其發展[J].特種鑄造及有色合金,2021,41(11):1 328-1 333. 編輯：江姍 稽核：劉晨輝
來源：特鑄雜誌 特種鑄造
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