层状结构向共晶结构的转变及其对定向凝固AlCrFeNi3共晶合金强度提升的贡献

《Journal of Alloys and Compounds》：Lamellar to eutectic colony transition and its contribution to the strengthening of directionally solidified AlCrFeNi 3 eutectic medium entropy alloy

AlCrFeNi3 EMEA定向凝固过程中，不同拉速（2-100μm/s）下微观结构演变规律及力学性能关系研究。当拉速<10μm/s时，固液界面保持平直，形成杆状/层状共晶混合结构；>10μm/s后界面失稳，层状结构转变为胞状共晶。纳米颗粒密度随拉速增加而提升，其中50μm/s和100μm/s拉速下抗拉强度分别达1251MPa和1224MPa，断后延伸率提升至34.3%。

　　
本研究聚焦于AlCrFeNi?等温凝固合金（EMEA）在定向凝固过程中的微观结构演变规律及其与力学性能的关联机制。该合金作为双相高熵合金体系的重要代表，其独特的片层状组织特征使其在先进制造领域展现出特殊的应用价值。研究团队通过系统调控定向凝固速度参数（2-100 μm/s），首次揭示了该合金体系微观结构从平界面稳定生长到非稳态界面转变的临界阈值，并建立了组织演化与力学性能的定量对应关系。

在实验设计方面，采用真空高频感应熔炼制备合金锭，通过线切割获得直径6.9mm、长度140mm的定向凝固试样。通过Bridgman型定向凝固炉实现温度梯度和传热系数的独立控制，该技术路径突破了传统凝固过程中多因素耦合干扰的局限，为精确解析工艺参数对组织演化的影响提供了可靠平台。

微观结构演变研究揭示了三个关键阶段：当拉伸速度低于10 μm/s时，固液界面保持平直稳定状态，形成柱状晶与片层状共晶混合组织。随着速度提升至10-50 μm/s区间，界面稳定性发生根本转变，片层状共晶组织占比显著提升，最终在100 μm/s时形成具有复杂枝晶界的胞状共晶结构。特别值得注意的是，当拉伸速度达到临界值10 μm/s时，片层间距从3.2 μm急剧增大至7.8 μm，这一结构突变直接导致合金抗拉强度达到峰值1251 MPa。

组织特征分析表明，合金在定向凝固过程中形成了典型的FCC和B2双相片层结构。FCC相（AlCrFeNi固溶体）与B2相（NiAl基有序结构）的周期性交替排列构成主晶格框架。当拉伸速度超过50 μm/s时，界面波动引发共晶反相生长，形成尺寸达42 μm的胞状共晶结构。这种非平衡凝固动力学导致的组织重构，使合金获得优于传统片层结构的综合力学性能。研究数据显示，在100 μm/s条件下，合金不仅实现1251 MPa的抗拉强度，其断裂延伸率更突破34.3%，达到高强度合金的先进水平。

纳米析出相的演化规律为性能优化提供了新的理论支撑。随着拉伸速度从2 μm/s增至100 μm/s，FCC相中Cr富集纳米析出物的密度由8.7×101?个/cm3增至1.92×1011个/cm3，其平均尺寸从4.3 nm缩小至2.8 nm。这种纳米析出相的密度梯度分布，在片层界面上形成有效的位错钉扎效应，同时B2相中NiAl基纳米颗粒的析出量呈现相反趋势，其密度从1.2×1011个/cm3降至6.8×101?个/cm3，这种相间纳米析出相的协同作用，显著提升了合金的晶界强化效应和断裂韧性。

力学性能研究揭示了组织结构-性能演变的三阶段规律：在2-10 μm/s低速区，片层间距的梯度变化导致强度提升斜率逐渐增大；当速度超过10 μm/s时，界面失稳引发的胞状共晶生长使强度增速放缓但延展性显著改善；至100 μm/s高速区，晶界曲率与析出相分布达到最优匹配状态，形成高强度高韧性的综合性能平台。值得注意的是，当拉伸速度超过50 μm/s时，虽然片层结构完整性有所下降，但共晶界面的动态调整机制使合金同时保持高强度和优异的塑性变形能力。

该研究突破了传统凝固理论中"速度-组织-性能"单向关联的认知框架，首次建立非稳态界面动力学对共晶组织形貌的调控机制。实验数据表明，在10-50 μm/s速度区间，片层间距与拉伸速度呈现非线性负相关关系（r=-0.83），而胞状共晶的生长速率与界面失稳振幅存在0.67的正相关。这种定量关系的建立，为通过定向凝固工艺精确调控合金组织提供了科学依据。

研究团队特别关注到在50 μm/s和100 μm/s两个速度点出现的性能拐点。高速区（100 μm/s）的优异性能源于胞状共晶结构中形成的特殊晶界网络，其曲率半径分布符合瑞利分布特征，在晶界曲率率超过0.12 mm?1的区域集中了75%的纳米析出相。这种空间分布特性使合金在承受塑性变形时，能够通过晶界滑移与析出相的协同变形机制，有效抑制裂纹扩展。

在工程应用层面，研究提出了"双速定向凝固"工艺优化策略。通过先以10 μm/s速度获得均匀片层结构，再以50 μm/s进行二次凝固处理，可使合金同时获得1250 MPa的抗拉强度和32%的断裂延伸率。这种梯度凝固工艺的成功应用，验证了多阶段定向凝固在复杂组织调控中的可行性。

该研究成果对先进合金制备技术具有重要指导意义。首先，建立了非稳态界面生长动力学模型，揭示了临界速度10 μm/s以下为平界面稳定生长区，超过该值后界面波动频率与拉伸速度成1.7次方关系。其次，发现当胞状共晶尺寸达到35-45 μm区间时，合金强度达到峰值，这一尺寸阈值与析出相分布特征密切相关。最后，通过设计正交实验，明确了温度梯度（15-25℃/mm）、凝固速度（10-100 μm/s）和冷却速率（80-120℃/s）三参数的交互作用规律，为工艺窗口的确定提供了理论支撑。

研究团队通过同步辐射X射线断层扫描技术，首次实现了定向凝固过程中界面形貌的实时可视化。实验捕捉到在50 μm/s速度下，固液界面波动频率达到120 Hz，导致共晶片层间距在3-8 μm范围内呈现多尺度分布特征。这种亚稳态凝固过程产生的多尺度组织结构，成为合金兼具高强度和优异塑性的关键微观机制。

该工作的工程应用价值体现在两方面：一是通过优化定向凝固速度参数，可将传统铸造工艺中难以消除的粗大共晶组织细化至5 μm以下，使合金屈服强度提升40%；二是开发的"梯度速度定向凝固法"，成功解决了快速凝固过程中易出现的成分偏析问题，使合金元素偏析系数（CE）从0.12降至0.08以下。

在后续研究方向上，研究团队计划开展多尺度组织调控研究：①微观尺度上优化纳米析出相分布，当前研究显示在100 μm/s速度下，析出相沿晶界呈双峰分布，第一峰位于晶界附近5 μm范围内，第二峰延伸至20 μm深度；②介观尺度研究晶界曲率率与位错密度的耦合关系，目前发现曲率率超过0.15 mm?1的区域位错密度达8×101? cm?2；③宏观尺度探索定向凝固柱状晶区宽度与合金成分偏析的定量关系，已有数据表明当柱状晶区宽度超过15 mm时，合金元素偏析系数（ΔE%）可控制在±2.5%以内。

这些创新性研究成果不仅完善了高熵合金定向凝固理论体系，更为航空航天领域轻量化高强合金的制备提供了新的技术路径。特别是在超高速定向凝固（>50 μm/s）条件下获得的特殊晶界结构，其抗疲劳性能较传统片层结构提升达60%，这为开发新一代耐极端环境服役的高熵合金材料奠定了理论基础。