Acta Mater.：定向凝固過程中柱狀樹枝晶誘導分枝型晶界的演化
【引言】
在金屬的鑄造過程中，柱狀樹枝晶都是由近表面的細小等軸晶初生形成的，其擇優取向是由這些晶粒的競爭生長而決定的。傳統觀點認為，晶粒間競爭生長機制是由有利取向和不利取向枝晶尖端過冷度的差異導致的。而近期研究的現象表明，枝晶尖端過冷的差異并不能完全準確地預測晶粒競爭生長的結果。對于晶粒競爭生長的定量預測，需要全面理解晶界取向和控制參數之間的關系，然而這一關系的建立仍有欠缺。根據晶粒的生長方向，雙晶粒的競爭生長形式通常可以分為兩種：合并型和分開型。相比于合并型，現有對于分開型晶界取向選擇的研究尚有不足。
【成果簡介】
近日，西北工業大學凝固技術國家重點實驗室的李俊杰副教授和王錦程教授（共同通訊作者）等人同時利用2D相場法模擬和現場實驗觀察的方法，探究分開型晶界取向的選擇，并對其隨機性分枝的現象進行更細節地分析。最終基于現有的研究結果與已發表的論文，提出了分開型晶界中平均晶界取向選擇的更優分析模型。
【圖文導讀】
圖1 雙晶粒的晶粒取向構造原理圖
(a1)-(a3) 合并型樹枝晶生長；
(b1)-(b3) 分開型樹枝晶生長；
(c) 相對于熱梯度方向，沿順時針定義角度；
(d) 有利取向晶粒中生長的新枝臂傾向于在其生長方向上的晶界
圖2 一次和二次枝晶臂的生長方向原理圖示
圖3 有利取向晶粒沿溫度梯度方向的擬合結果，即θFO=0，所有擬合結果對應實驗條件為65s?
(a1)-(a5) 不同θUO值對應的典型微觀組織；
(b1)-(b5) 不同θUO值對應ΔL分布；
(c) 有利取向晶粒新生主臂間的平均臂距和平均距離相對于θUO的分布圖
圖4 θFO×θUO=0(θFO=0°)下平均晶界取向θGB隨θUO的變化，其中綠色折線是現有模型擬合結果，紅色曲線是依據參考文獻15的擬合結果
(a1)-(a3) 不同拉拔速度下的典型微觀組織；
(b1)-(b3) 不同速度下ΔL的分布，其中三個實驗在相同條件下，有利取向晶粒(NFO)和不利取向晶粒(NUO)的新主臂數目是已知的；
(c) 有利取向晶粒新生主臂間的平均臂距和平均距離相對于速度V的分布圖
圖6 相向橫截面上兩個晶粒取向的擬合結果，即θFO×θUO<0，所有擬合結果對應實驗條件為65s
(a1)-(a5) 不同θUO值對應的典型微觀組織；
(b1)-(b5) 不同θUO值對應ΔL分布；
(c) 有利取向晶粒新生主臂間的平均臂距和平均距離相對于θUO的分布圖
圖7 θFO×θUO<0(θFO=-5°)下平均晶界取向θGB隨θUO的變化，其中紅色折線是現有模型的擬合結果，綠色折線是依據參考文獻16的擬合結果
圖8 在θFO=0°和θUO=15°條件下，有利取向晶粒在分開型晶界處側枝生長的擬合結果
(a1)-(a2) 有利取向的枝晶在分開型晶界處的照片；
(b1)-(b2) 分別從晶界枝晶A1和A2得到側枝生長的信號，信號X(Z0,t)對應距枝晶尖端距離Z0=55μm處凝固界面的連續交點
圖9 有利取向晶粒在分開型晶界處側枝生長的實驗觀察
?(a1)-(a2) 有利取向的枝晶在分開型晶界處的照片；
(b1)-(b2) 分別從晶界枝晶A1和A2得到側枝生長的信號，信號X(Z0,t)對應距枝晶尖端距離Z0=35μm處凝固界面的連續交點
圖10 在θFO×θUO≤0條件下分開生長過程中平均晶界傾向角θinclination的演化
?(a)θFO－θUO與θinclination的關系；
(b)θinclination/(θFO－θUO)與θFO＋θUO的關系
圖11 不同結構下的競爭晶粒生長的原理圖示
(a1)-(a3) 根據Tourret等人的模型得到的結果；
(b1)-(b3) 根據現有的模型得到的結果
【小結】
本文利用2D相場模擬法和實驗法，研究了在不同取向的兩個柱狀樹枝晶之間的分開型晶界二次和三次分枝現象，其中在模擬過程中，側枝生長動力和后續枝晶競爭現象均與實驗結果吻合，并且相對于現有的模型，本文提出了一個描述晶界取向選擇更加準確的分析模型。
文獻鏈接：Branching-induced grain boundary evolution during directional solidification of columnar dendritic grains (Acta Mater., 2017,DOI:10.1016/j.actamat.2017.07.002)
本文由材料人編輯部金屬材料組張怡整理編譯。
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