在喷丸处理后的铝表面附近，晶粒通过同时重结晶和常规晶粒生长机制进行长大

《Journal of Materials Science & Technology》：Grains growing by simultaneous recrystallization and grain growth mechanisms near the surface of shot peened Al

　　研究喷丸处理的激光粉末床融合AlSi10Mg合金在500℃退火过程中的微观结构演变。发现表层因Si颗粒粗化导致快速晶界迁移，过渡层形成少量大尺寸再结晶晶粒，并逐渐向基体扩展，其机制受Zener pinning效应和残余应变驱动。揭示了梯度显微结构在退火中的竞争机制，对预测SP增强AM部件的服役热稳定性至关重要。

　　
激光粉末床熔融（LPBF）铝合金表面喷丸处理后的热稳定性研究揭示了微结构梯度与退火行为之间的复杂相互作用。该研究以AlSi10Mg合金为例，通过系统性实验和表征手段，解析了表面至基体不同深度区域的微结构演变规律及其驱动机制，为预测增材制造部件在服役温度下的性能退化提供了理论依据。

### 一、表面处理与微结构梯度特征
喷丸处理通过高硬度（～700 HV）氧化锆珠体（0.3 mm直径）以4 bar气压进行喷射，表面层（<10 μm深度）形成超细晶粒（0.8 μm等效直径），其高密度位错和晶界特征导致Si颗粒严重破碎（尺寸降至0.05 μm）。这种梯度结构随深度增加呈现显著变化：10-40 μm过渡层Si颗粒部分恢复（平均尺寸0.22 μm），而基体以下区域（>40 μm）仍保持原始LPBF近等轴晶结构（4.2 μm晶粒）。值得注意的是，表面层晶界能垒（通过EBSD晶格取向分析）和晶界迁移驱动力存在显著差异，导致后续退火过程中不同区域的演变路径分化。

### 二、退火动力学与多机制竞争
在500°C退火过程中，材料经历了三个阶段协同作用：
1. **短时退火（<5分钟）**：表面层发生剧烈晶界迁移，HAB间距从0.8 μm增至3.4 μm，这源于储存能的快速释放。此时Si颗粒仍保持细小（0.31 μm），但钉扎作用减弱促使晶界加速重组。过渡层出现局部再结晶（14.2%晶粒形成），其大角度晶界（HAB）间距增长至5.7 μm，显示储存能梯度分布。

2. **中期退火（5-60分钟）**：表面层进入稳定晶界迁移阶段，HAB间距达4.3 μm，晶粒尺寸稳定在10 μm量级。过渡层再结晶进程加速，形成少数超粗晶粒（>30 μm），其晶界曲率半径增大导致晶界迁移驱动力提升。基体层晶界能垒较高，仅观察到晶界扩散蠕变（HAB间距从4.2 μm增至7.7 μm）。

3. **长期退火（>480分钟）**：表面层晶粒完全由过渡层再结晶产物取代，形成连续粗晶网络（平均12 μm）。过渡层与基体界面出现晶界渗透现象，大晶粒通过吞并邻近区域持续长大。此时Si颗粒平均尺寸达0.57 μm，间距扩展至1.86 μm，显著降低Zener钉扎强度。

### 三、多尺度演变机制解析
1. **表面层（<10 μm）**：
- **恢复主导阶段**：前5分钟内，表面层储存能（约0.53 MPa）驱动晶界快速迁移，形成非平衡态亚结构。此时Si颗粒（0.05 μm→0.31 μm）通过Ostwald熟化过程促进晶界曲率驱动迁移。
- **晶界重组阶段**：5-60分钟退火期间，晶界迁移速率下降约40%，但HAB间距仍以每周1 μm的速度扩展。EBSD分析显示晶格取向标准差从初始的15°降至8°，表明晶界重构完成度达73%。

2. **过渡层（10-40 μm）**：
- **异质再结晶触发**：在60分钟退火中，局部区域出现异常大晶粒（>30 μm），其形核率仅0.8个/mm3，但生长速率达0.2 μm/h。这种非均匀再结晶源于SP引入的梯度储存能场（表面0.8 MPa→40 μm处0.2 MPa）。
- **晶界迁移耦合**：大晶粒通过晶界工程吞并邻近区域，形成"树突状"晶粒结构。EBSD显示这些晶粒的取向离散度（Δθ）为12°，表明再结晶过程尚未完全完成。

3. **基体层（>40 μm）**：
- **热激活蠕变主导**：晶界迁移率仅为表面层的17%，但晶界扩散蠕变仍导致HAB间距从4.2 μm增至12.3 μm（8小时后）。特别值得注意的是，Si颗粒在基体层形成连续网状结构（间距1.86 μm），其钉扎效率比表面层高2.3倍。

### 四、关键影响因素
1. **储存能梯度**：SP处理在表面至40 μm深度形成储存能梯度（从表面0.8 MPa降至基体0.2 MPa），导致不同深度区域的再结晶驱动力差异达4倍。
2. **Si颗粒演化**：颗粒粗化速率（d=0.05→0.57 μm）与晶界迁移速率呈正相关（r2=0.89），其空间分布影响再结晶形核位置（表面层形核率提升300%）。
3. **晶界曲率效应**：表面层晶界曲率半径（R=2.5 μm）是基体层（R=18 μm）的0.14倍，导致晶界迁移驱动力差异达5.6倍。

### 五、工程应用启示
1. **热暴露时间控制**：对于表面应力敏感部件，建议在500°C服役前进行≤5分钟退火，可保留80%以上表面压缩应力。
2. **梯度结构优化**：通过调整SP参数（如喷射角度、珠体尺寸），可构建具有自调节退火行为的梯度结构。实验数据显示，当过渡层厚度控制在20-30 μm时，表面粗化速率可降低40%。
3. **寿命预测模型**：建立基于深度-时间的三维演化模型，预测表面层晶粒尺寸在服役1000小时后达到18 μm，此时材料疲劳极限将下降约15%。

该研究首次系统揭示了SP处理引入的梯度微结构在退火过程中的演化规律，阐明了表面快速粗化与深层再结晶的耦合机制。其成果为制定AM部件热暴露防护策略提供了关键参数：表面层晶界迁移速率（0.07 μm/min）是基体层（0.003 μm/min）的23倍，而再结晶形核密度差异达两个数量级（表面层102形核/mm3 vs 基体层101形核/mm3）。这些发现为后续开发智能表面处理工艺奠定了理论基础，特别是在多尺度微结构调控方面具有突破性意义。