取向电工钢（GO）凭借高磁导率、低铁损的优异磁性能，现已成为变压器核心磁芯材料，其优良磁性能来源于轧制方向高度对齐的{110}<001> Goss织构。工业生产中通常引入AlN、MnS析出相作为晶粒抑制剂，高温退火前保留Goss晶核，最终获得完整Goss织构。近年来电动车产业与充电基础设施快速扩张，变压器工作频率持续提升以优化设备效率；但频率升高会大幅加剧涡流损耗。因此，降低取向电工钢涡流损耗、适配高频工况成为核心研究方向。

如今，电动汽车高频充电设备的普及，要求电工钢大幅降低涡流损耗，减小薄板厚度是最直接的解决途径。但钢板厚度低于0.23mm时，传统抑制剂体系难以抑制{100}晶粒生长、无法实现均匀二次再结晶；此外，市面0.18-0.20mm超薄GO工艺未公开，因此，开发可稳定制备0.18mm及以下超薄规格的新工艺十分迫切。

Heo等人成功地在0.1mm厚的含Mn薄板中实现了Goss织构，证明了其即使在薄规格材料中的适用性。Mn的添加还能提高电阻率并促进二次再结晶，从而改善磁性能。然而，他们的结果是在高度受控的条件下获得的，如高真空等温退火和多道次冷轧，这对工业应用构成了极大限制。

本研究提出了一种两步气氛工艺（TSAP）作为直接控制硫偏聚而无需预退火的替代方法。与依赖于析出和溶解反应的传统MnS基工艺不同，TSAP能够精确调控硫偏聚，有效抑制{100}晶粒生长，同时确保稳定的Goss织构形成。通过消除维持特定预退火温度的限制，TSAP解决了MnS基工艺的局限性，并为工业应用提供了一种灵活可靠的方法。

为验证该方法，使用初始混合气氛工艺（IMAP）作为参考条件进行了对比试验。IMAP涉及在初始混合的氢气-氮气气氛中进行热处理，未能有效控制硫偏聚，导致促进了{100}晶粒生长。随后，评估了TSAP在实现稳定Goss织构形成方面的有效性。此外，引入了硫含量和轧制压下率的变化，以评估它们对TSAP可靠性和适用性的影响。本研究表明，TSAP在开发Goss织构方面比传统MnS基方法更有效、更可靠。

试验所用样品的硅锰合金含量为3.3wt.%，并设计三种硫含量：15ppm、67ppm、118ppm，采用感应熔炼炉制备钢锭。钢锭在1150℃下均质处理2h，然后热轧成2.5mm厚的板材。Si含量保持在3.5wt.%以下以避免脆性。此外，为避免脱碳需求，碳含量被最小化，并严格控制Al浓度以削弱AlN的晶粒生长抑制作用。

热轧钢板在氮气气氛下于1050℃退火，随后进行酸洗。接着，在850℃进行中间退火，并以33%、52%和71%的二次压下率进行冷轧，以制备最终试样，其宽度为10mm，长度为100mm，厚度为0.2mm。本研究为冷轧试样提出的退火过程如图1（a）所示。在加热阶段（图1中的区域I），试样在氮气气氛下退火，最终退火温度为1200℃。达到1200℃后，引入氢气，随后在氢气和氮气按3：1体积比混合的气氛下，保温12h（图1中的区域II）。为确认该工艺与特定惰性气体类型和潜在氮化效应无关；使用高纯度氩气（Ar）作为惰性介质，结果相同。为解释这一称为TSAP的工艺机理，进行了额外的热处理，从开始就在氢气-氮气气氛中进行，如图1（b）所示。该工艺被命名为“IMAP”。

使用Thermo Calc 2024a软件及TCFE13数据库预测了MnS的分解行为，并分析了其体积分数在一系列退火温度的变化。并将含有15ppm、67ppm和118ppm硫的成分输入Thermo-Calc，计算MnS的平衡相图和体积分数随温度的变化。

使用二次离子质谱研究不同气氛和特定退火温度下硫的偏聚情况。

取样点为炉内恒温区不同退火温度/保温时间试样，检测区域直径 60μm，以评估硫偏聚情况。

最终试样的微观结构通过腐蚀坑法进行分析，以量化每种晶粒取向的晶粒数量和面积分数。平均晶粒尺寸通过总试样面积除以晶粒数量确定。织构变化通过扫描电子显微镜和电子背散射衍射进行检查。测量在试样的法向（ND）进行。机械抛光后，所有EBSD试样均使用0.02µm胶体二氧化硅粉末进行振动抛光，以去除残余应力。使用OIM 7软件分析EBSD结果，采用反极图（IPF）和取向分布函数（ODF）分析来识别每种条件下的织构和微观结构差异。退火过程中的织构演变使用欧拉空间中φ2=45°处的ODF结果进行分析。对来自不同退火阶段的每个试样至少测量三次，并将结果合并。最终退火后的试样至少测量20次并合并。在退火过程中，使用OIM软件的“晶粒尺寸图”功能计算平均晶粒尺寸和特定尺寸范围内晶粒的比例，而特定取向晶粒的比例则使用“晶体方向和晶体取向”功能进行量化。

磁性能使用B-H分析仪搭配单片测试仪进行评估，磁通密度通过在50Hz下施加800A/m的磁场（B₈）来测量。铁损在1.5T的磁通密度和50Hz的频率（W15/50）下评估。这些分析是在没有绝缘层的钢板上进行的。

本研究通过试验评估了TSAP对Goss织构形成的影响。首先应用IMAP以比较其在控制硫偏聚方面的效果。本研究的目的是评估初始混合气氛是否能有效调控硫偏聚和晶粒生长。随后，引入TSAP以确定其对稳定Goss织构的效果。此外，还考察了硫含量和冷轧压下率变化对TSAP适用性的影响。以下部分对这些工艺及其对退火过程中微观结构和织构演变的影响进行了比较分析。

3.1 IMAP退火过程中的微观结构和织构演变

3.1.1 IMAP中硫偏聚的表面分析

图2显示了通过Thermo-Calc计算的，在硫含量为15ppm、67ppm和118ppm时，MnS体积分数随温度的变化。随着硫含量增加，基体中MnS的体积分数增加，MnS的完全分解温度也向更高温度范围移动。由于工业GO中的硫含量通常控制在100ppm以下，因此选择代表性的67ppm硫浓度用于IMAP和TSAP下的试验分析。

随着温度升高，MnS逐渐分解，导致其体积分数缓慢下降。然而，MnS在高达900℃时仍保持相对稳定的体积分数。超过900℃后，MnS体积分数明显下降，在1100℃时分解显著加速。在大约1200℃时，MnS完全分解。

IMAP包括将冷轧钢板加热至MnS完全分解的温度1200℃，同时从热处理开始就保持混合的氢气-氮气气氛。图3（a）显示了该过程中硫的偏聚行为。在轧制态，硫强度保持在约10⁶计数/s的平均水平，并在不同深度上相对均匀分布。在1000℃时，从MnS分解中释放出的硫偏聚到表面，这表现为表面附近硫强度增加，而在250nm深度以外则下降。这表明在此温度下硫向表面发生了迁移。然而，尽管存在氢气气氛，硫偏聚仍然持续，表明在1000℃时，硫偏聚比H₂S反应更为显著。

在1100℃时，最初偏聚在表面的硫与氢气反应，导致硫强度迅速下降。在1200℃时，表面附近的硫强度比1000℃时低1000多倍，并且略低于TSAP处理试样在1200℃氢气气氛下退火15min后的硫强度，如图3（b）所示。

如图3（a）所示，当温度从1000℃升高到1100℃时，硫强度显著降低，表明表面硫偏聚减少。根据表面能诱导的选择性生长理论，强烈的硫偏聚促进{111}和高指数晶粒的生长，而减少的硫偏聚则为{100}晶粒的生长创造有利条件。在1000℃时硫偏聚持续存在，而在1100℃时减少，表明IMAP工艺不能有效抑制{100}晶粒生长。

3.1.2 IMAP过程中的织构和微观结构演变

在1000℃时，晶粒生长进行，平均晶粒尺寸达到约263µm，表明正常晶粒生长在整个微观结构中普遍占主导地位。在此阶段，γ-纤维织构发展最为显著，其次是Goss和Cube织构。此外，尽管该过程中发生了H₂S反应，但由于混合气氛组成和1000℃下H₂S反应速率相对较低，硫的去除效率有限。因此，硫部分残留在表面，抑制了局部区域的晶粒生长。

根据表面能诱导的选择性生长理论，当硫以轻微偏聚状态存在于表面时，有利于{100}晶粒生长。在1000℃时，硫偏聚在表面，随着温度升高到1100℃，由于H₂S反应，表面的硫强度降低。这种硫偏聚的减少似乎创造了有利于{100}晶粒生长的条件。因此，在1100℃时，{100}晶粒显著长大，达到约670µm，而{110}晶粒长大到810µm。这些情况表明，此阶段的硫浓度在决定主要晶粒生长机制方面起着关键作用。

在1200℃时，平均晶粒尺寸进一步增加到约3000µm，伴随着强烈的{100}和{110}织构同时发展。这一结果表明，IMAP不能有效抑制{100}晶粒生长。最终退火步骤导致Goss织构比例约为80%，表明在初始混合的氢气-氮气气氛中退火不足以促进{110}晶粒的选择性生长。

这些观察表明，IMAP在调控硫偏聚方面受到根本性限制，导致晶粒生长失控。由于在关键阶段硫去除不足，{100}晶粒仍具有竞争力，最终阻碍了Goss织构的完全发展。

3.2 TSAP中的硫偏聚、织构和磁性能演变

在TSAP中，退火过程在氮气气氛中进行至MnS分解温度，促进{111}晶粒生长并抑制{100}晶粒生长。一旦MnS完全分解且硫偏聚在表面达到峰值，气氛切换为氢气，通过H₂S反应促进硫的去除，并诱导{110}晶粒的选择性生长。因此，理解MnS的热力学稳定性及其分解行为对于优化TSAP至关重要。

3.2.1 硫偏聚的表面分析：预测与试验验证

在TSAP退火过程中，硫行为主要受MnS分解影响。根据含有0.1wt.%Mn的Fe-Si合金的平衡相图，在钢锭制造和热轧随后冷却过程中，硫原子（67ppm）主要以MnS形式存在于固溶体中，而不是以游离硫形式存在于铁基体中。形成的MnS通常硬度低，在轧制和加工过程中容易伸长成条带状。这表明热轧过程中形成的MnS持续存在，并且在冷轧过程中不会被消除。当冷轧钢板被加热时，MnS分解并释放出硫原子。这些硫原子主要偏聚在自由表面和晶界处，以最小化系统的总界面能，并缓解由硫原子与基体原子之间尺寸差异引起的弹性应变能。由于TSAP在MnS分解温度之前是在氮气气氛下进行的，因此预计硫偏聚在高温下会变得更加显著。特别是，对于本研究中使用的67ppm硫成分，Thermo-Calc计算MnS在1200℃时完全分解。在此温度下，预计硫原子会在表面密集积累，并在内部发生额外扩散。

为验证平衡相图预测的硫偏聚行为，使用SIMS测量了不同温度下的硫偏聚程度，结果如图3（b）所示。在1000℃时，从MnS分解中释放出的硫开始以比轧制态更高的浓度向表面偏聚。随后，在1200℃时，当MnS完全分解时，硫偏聚变得更加显著。硫强度在超过500nm深度处显著下降，而在表面500nm内则大幅增加。这表明在高温下，表面附近有大量的硫积累。此外，SIMS表面分析结果与Thermo-Calc的趋势一致。平衡相图预测如图2所示。在1200℃时，表面附近的硫强度在15min内从10⁷计数/s降到10⁵计数/s，并在30min后降至10⁴计数/s。由H₂S反应引起的这种表面硫的快速去除，有效消除了晶界处的钉扎效应。退火60min后，硫强度进一步降低至10-10²计数/s。

在MnS的分解温度1200℃时，气氛切换为氢气以促进表面偏聚硫的去除。表1列出了1200℃时硫的扩散系数以及随退火时间变化的相应平均扩散距离。

在1200℃时，硫快速扩散，初始扩散距离约为0.27µm。该距离随退火时间逐渐增加。MnS完全分解后，硫在表面高度富集。由于硫的扩散速率高，气氛切换为氢气以加速H₂S反应。如果没有此反应，硫将残留在表面，阻碍随后的微观结构演变。

3.2.2 TSAP过程中的织构和微观结构演变

当在1200℃切换至氢气气氛后，平均晶粒尺寸在30min内从450μm增加到1030μm，增长超过两倍。同样，{110}晶粒从约1070μm扩大到2160μm，尺寸增加了一倍以上。尽管{111}和高指数晶粒也有所长大，但由于硫的持续减少，其扩展逐渐受到抑制。这一效应在60min时变得尤为显著，此时硫强度进一步降低至10-10²计数/s。硫浓度的这一降低标志着{110}晶粒广泛生长的开始。结果，在1200℃退火60min后，γ-纤维织构和高指数织构显著减弱，而Goss织构则大幅发展。最终，这一过程导致了Goss织构的完全形成（100%体积分数），经最终退火12h后的ODF分析确认，ODF测得的Goss织构强度为107.7。

所观察到的{110}和{111}晶粒的优先生长可归因于它们相对较高的储存能，这促进了退火过程中的选择性晶粒生长。此外，尺寸效应随着退火的进行增强了较大{110}晶粒的生长。

在1200℃退火试样中一个值得注意的特征是，尺寸为270-310μm且略超过钢板厚度的{100}晶粒，被长大至其两倍以上尺寸的{111}晶粒所包围。此外，这些{100}晶粒的生长受到周围高指数晶粒和{110}晶粒的抑制。在整个升温至1200℃的退火过程中，{100}晶粒受到具有较低表面能的{110}和{111}晶粒的竞争性生长所抑制，进一步限制了其发展。

TSAP中的这种晶粒生长行为与传统的基于MnS的抑制剂机制有着根本区别。在典型的抑制剂工艺中，一次再结晶后施加的强大钉扎力导致Goss晶粒发生独占性的异常长大，使得长大的Goss晶粒与周围基体晶粒之间产生极大的尺寸差异，通常可达数百倍。然而，在加热至1200℃的过程中，Goss晶粒并非孤立地长大。与之相反，{111}和高指数晶粒与Goss晶粒同时生长，而{100}晶粒的生长则被选择性地抑制。Goss晶粒的主导性长大仅在1200℃气氛切换为氢气后才发生。这种选择性生长控制无法用传统非选择性抑制来解释，有力地支持了通过MnS溶解释放的硫原子进行表面能控制的机制。

为进一步验证这一织构发展不受渗氮效应的影响，在高纯度氩气（Ar）气氛中进行了额外的TSAP试验。氩气退火试样呈现出完全的100%Goss织构，与在含氮气氛中获得的结果一致。该试样的磁感应强度（B₈）为1.84T，与主要试验数据相符，证实了Goss晶粒的选择性生长受表面能控制主导，而非AlN抑制机制。

3.2.3 TSAP退火试样的磁性能演变

图4展示了从冷轧态开始，热处理过程中磁性能的变化。在冷轧态，由于轧制过程中产生的内应力，积累了高密度的位错。因此，观察到低的磁通密度和高的铁损。特别是，位错在外部磁场下阻碍了磁畴壁的运动，从而增加了磁滞损耗和矫顽力。因此，磁化过程消耗了更多的能量。

在1000℃时，再结晶完成后开始发生晶粒生长，磁通密度从0.4T急剧增加至1.45T，而铁损则是从16.53W/kg显著降低至4.04W/kg。在1200℃时，磁通密度略微下降至1.42T，而铁损则呈现轻微上升趋势。这种行为归因于再结晶过程中形成的强烈γ-纤维织构，该织构在晶粒生长过程中进一步增强。γ-纤维织构的法向（ND）平面平行于{111}面，不包含被称为易磁化轴的<001>方向，因此导致饱和磁化强度降低。尽管在此阶段Goss织构发展强烈，但γ-纤维和高指数晶粒约占体积分数的85%，对磁性能的影响更为显著。

退火15min后，磁通密度保持不变，而铁损有所降低。这一降低归因于通过H₂S反应去除了表面偏聚的硫。相比之下，在初始状态下，富集在表面的硫原子增加了界面能。杂质作为钉扎点，阻碍了磁畴壁的运动，从而增加了磁滞损耗。因此，杂质的去除导致铁损下降。30min后，Goss晶粒长大超过2mm，而硫强度降低了一个数量级以上。这导致磁通密度略微增加至1.45T，铁损略有降低。60min后，磁性能显著改善，磁通密度迅速增加至1.82T，铁损急剧下降至1.48W/kg。这些变化归因于γ-纤维织构的减弱和Goss织构的主导形成。经过最终12h的退火后，磁通密度达到1.85T，铁损进一步降低至1.32W/kg，对应于100%的Goss织构比例。

3.3 TSAP对硫含量和轧制压下率的影响

结合试验结果可知，这些试样经历了相同的TSAP工艺，但硫含量和轧制压下率条件有所不同。对于硫浓度为15ppm和118ppm的试样，MnS完全分解的温度分别为1100℃和1250℃。因此，这些试样在氮气气氛下被加热至各自的分解温度，然后转换到氢气-氮气混合气氛进行最终退火。如ODF分析所示，无论硫含量如何，Goss织构都得到了良好发展，表明TSAP能够在广泛的硫浓度范围内实现稳定的Goss织构形成。

这些结果证实，即使在硫含量变化和施加不同轧制压下率的条件下，TSAP也能有效调控游离硫偏聚，确保稳定的Goss织构形成。值得注意的是，本研究通过试验验证了TSAP是一种可靠的方法，能够在工艺参数变化的情况下实现一致的Goss织构形成。

本研究通过试验验证了TSAP在无需预退火的情况下实现稳定Goss织构形成的有效性。与需要精确控制预退火温度以调控硫偏聚的传统MnS基工艺不同，TSAP允许通过气氛转换直接控制硫行为。主要发现如下：

1）IMAP未能有效调控硫偏聚。当1100℃时，{100}晶粒显著长大至约670µm。这些晶粒在整个最终退火过程中未被抑制，导致Goss织构形成不完全。

2）相比之下，TSAP在MnS分解温度之前保持氮气气氛，促进了{110}和{111}晶粒的优先生长，同时抑制了{100}晶粒的生长。在1200℃切换为氢气气氛后，表面硫强度在60min内迅速降低至10-10²计数/s水平，促进了{110}晶粒的选择性生长。该过程导致Goss织构完全形成，最终磁通密度为1.85T，铁损为1.32W/kg。

3）额外的试验表明，TSAP在不同硫含量（15-118ppm）和轧制压下率下均能有效调控硫偏聚。尽管这些参数有所变化，该工艺始终能产生完全发展的Goss织构，证实了其稳健性和可靠性。