定向凝固晶粒竞争生长研究进展

胡松松1，何铭1，罗烽月2，白伟民1，陈贤1，杨志强1，陈赢政1（1. 湘潭大学材料科学与工程学院；2. 太行实验室）

摘要：在凝固过程中，晶粒竞争生长是1 个普遍存在的现象，而不同取向晶粒间的竞争行为最终会关系到产品的服役性能。在定向凝固单晶涡轮叶片制备的过程中，无论采用选晶法还是籽晶法控制晶体取向均会涉及晶粒竞争现象，这对于能否顺利制备完整的单晶结构起到决定性作用。从定向凝固晶粒竞争生长模型作为切入点，详细地梳理了晶粒竞争生长机理的研究进展。综述了晶粒竞争生长的影响因素，并总结其调控机制。首先介绍了温度梯度的改变导致晶粒竞争结果的差异；其次，在溶质浓度方面，介绍晶粒的淘汰行为与溶质相互作用的关系；而后针对晶体取向的影响，为更好地获得晶粒竞争结果，分别从晶粒的枝晶主轴偏离温度梯度方向的竞争关系与侧枝偏离晶界一定角度的竞争关系这两方面探讨，并将晶粒的竞争淘汰机理从最初的二维扩充到三维取向进行解释；此外，得出抽拉速率作为定向凝固唯一且能够大范围调控的参数，会影响晶粒淘汰结果的一致性，同时还特别说明了工业生产钢铁材料中冷却速率对晶粒竞争生长的影响。最后进一步对定向凝固晶粒竞争生长研究进行了总结与展望，并指出未来研究亟待解决的问题，强调了实际工业生产中，晶粒竞争生长对合金材料的重要性及应用意义，可为制造领域提供指导。

关键词：定向凝固；晶粒；竞争生长；温度梯度；溶质浓度；晶体取向；晶界；抽拉速率