第一作者：陳凱旋副教授

通訊作者：Gilles Demange教授（法國魯昂大學），王自東教授

第一通訊單位：北京科技大學材料科學與工程學院

合作單位：法國魯昂大學、瑞典皇家理工學院、

瑞典Thermo-Calc Software AB公司

導讀

析出強化是增強金屬合金的方法之一。理解析出過程，尤其是在粗化階段析出相形態的演變，是設計微觀結構以獲得高性能的關鍵因素。在Cu-Fe、Ni-Al、Al-Sc和Ti-Al合金體系中，富鐵相、Ni3Al相、Al3Sc相、Ti3AlC相的特性是決定合金力學性能的關鍵因素。銅基、鎳基、鋁基和鈦鋁基合金中的析出相顆粒在熱處理或長期高溫服役階段會不可避免地發生形態演變，不同的顆粒形態產生不同的強化效果，控制不慎將導致性能的惡化。王自東教授課題組前期與法國魯昂大學等合作研究了高溫下銅合金中富鐵相的析出和形態演變行為，發現了富鐵顆粒“球狀→立方狀→花瓣狀”的演變方式，模擬了Cu-Fe二元體系等溫過程中富鐵相的形態演變過程（K.X. Chen, P.A. Korzhavyi, G. Demange, et al., Morphological instability of iron-rich precipitates in Cu-Fe-Co alloys, Acta Mater. 163 (2019) 55–67. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.10.013）。前期針對Cu-Fe體系中富鐵相形態演變的相場模擬（PFM），發現富鐵顆粒在形態演變末期會保持花瓣狀，而該預測結果與TEM觀察到的花瓣顆粒發生分裂的結果并不一致。另外，處于分裂階段的花瓣狀富鐵相尺寸（~1μm）已經超出了前期研究中相場模擬盒子的空間范圍，并且富鐵相接近或超過1μm時，顆粒-基體界面從共格關系轉變為半共格或非共格關系，此時析出相長大過程發生了由界面控制到體積擴散控制的轉變，小尺寸析出相形態演變的相場模型將對大尺寸花瓣狀析出相的演變行為失去效用。

在本文中，王自東教授課題組聯合國際院所，結合FIB-SEM斷層掃描技術和PFM模擬，首次揭示了富鐵顆粒在納米→微米跨尺度生長過程中完整、精確的形態演變行為，澄清了花瓣狀顆粒的“分裂”現象，驗證和優化了析出相形態演變的動力學模型，為高性能銅合金中富鐵相形態的宏、微觀調控奠定了理論基礎（圖1）。

圖1 高溫下Cu-Fe體系中富鐵相形態演變過程的三維表征和模擬

研究內容

綜合考慮界面能、彈性應變能和化學驅動力的交互作用建立了描述合金中析出行為的動力學方程，并完成了對前期相場模型的修正和完善，基于Cu-Fe合金中富鐵析出相晶體學特征參數的表征結果和熱力學參數的CALPHAD計算數據，采用相場法在納米→亞微米→微米尺度模擬了富鐵相的形態演變行為，發現其經歷了球狀→立方狀（~43 nm）→具有主分支的花瓣狀（~110 nm）→具有主分支和二次分支的花瓣狀（~1.3μm）的多重形態演變（圖2），相場模擬獲得的析出相形態轉變序列、臨界轉變尺寸及三維形態精細特征與二維、三維實驗表征結果一致，而且三維相場模擬中同樣未出現花瓣狀顆粒的分裂行為（圖3）；對模擬獲得的具有復雜分支結構的花瓣狀富鐵顆粒的三維形態沿著不同取向進行二維切片，獲得與FIB-SEM三維重構形態的二維切片上相一致的形態特征，從理論上證實花瓣狀富鐵相的“分裂”源于對復雜三維形態在二維投影上的錯誤解讀（圖4）。基于本文的實驗和理論成果，完善了富鐵相尺寸、形態及其他晶體學特征的可控性機制，為發展析出相形態控制理論和技術提供支撐，開拓了基于析出相形態調控的成分設計和工藝優化方法。開展的跨尺度相場模擬研究對于準確預測Al-Sc、Ni-Al、Ti-Al等其他析出強化型合金中析出相的形態演化行為具有重要的指導意義。

圖2 富鐵析出相在高溫銅基體中復雜形態演變的三維相場模擬

圖3  Cu-2.05Fe合金退火態富鐵析出相三維形貌特征的FIB-SEM層析成像

圖4  沿著(a) (100) γ、(b) (110) γ和(c) (111) γ晶面對花瓣狀富鐵相的FIB-SEM三維重構形態連續切片獲得的二維形態特征

論文信息

Kaixuan Chen*, Gilles Demange*, Xin Cui, Zidong Wang*, Xiaolu Pang, Renaud Patte, Huahai Mao, Xiaohua Chen, Rongjian Shi, Helena Zapolsky. 3D morphology of the petal-like precipitates in Cu-Fe alloys: experimental study and phase field modelling. Acta Materialia 270 (2024) 119874.

DOI: 10.1016/j.actamat.2024.119874

論文鏈接 https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.119874