高熵合金颗粒与超声处理协同调控Al-13Cu合金晶粒细化的原位机制研究及其工业应用价值

本研究通过原位X射线成像与机器学习技术，揭示了FeCoCrNiAl高熵合金(HEA)颗粒与超声处理(USMP)协同作用下Al-13Cu合金的晶粒细化机制。研究发现2.0 wt% HEA添加使α-Al晶粒尺寸降至213 μm，最大形核速率提升至30.3 crystals/mm3/s，显著抑制溶质偏析，为航空航天用高性能铝基复合材料(AMCs)开发提供新策略。

　　

在航空航天和汽车工业对轻量化材料需求日益增长的背景下，铝基复合材料(AMCs)因其优异的强度-重量比成为研究热点。然而传统陶瓷增强体如TiB₂和B₄C存在热膨胀系数失配、界面结合弱等问题，导致材料塑性和成形性下降。高熵合金(High Entropy Alloy, HEA)颗粒作为新型金属增强体，凭借其与铝基体的相容性和多重强化效应，为AMCs性能提升带来新机遇。但HEA颗粒细化晶粒的动态机制尚不明确，制约着工艺优化。

为解决这一科学难题，Yuanzheng Cao团队在《Ultrasonics Sonochemistry》发表研究，首次采用同步辐射X射线原位成像结合YOLOv8机器学习算法，实时捕捉了FeCoCrNiAl HEA颗粒修饰的Al-13Cu合金凝固全过程。研究人员通过超声熔体处理(USMP)实现HEA均匀分散，在0.2-1.0 K/s冷却速率下系统分析了α-Al晶粒的形核-生长动力学。

关键技术包括：1) 同步辐射X射线原位成像(SSRF BL13HB线站，18 keV)捕捉凝固动态；2) YOLOv8深度学习模型实时追踪5000+晶粒演变；3) 超声辅助(20 kHz/1500 W)HEA分散工艺；4) Avrami方程定量分析相变动力学。

【3.1 HEA含量影响】研究发现HEA添加量从0.5 wt%增至2.0 wt%时，最大形核速率提升3.5倍(8.6→30.3 crystals/mm³/s)，晶粒生长停滞时间缩短44%(18→10 s)。通过EDS证实HEA颗粒表面形成200 nm FCC结构扩散层，与α-Al晶格匹配，促进异质形核。

【3.2 冷却速率效应】固定1.0 wt% HEA时，冷却速率从0.2 K/s增至1.0 K/s使形核速率提高265%(25.7→93.9 crystals/mm³/s)，最终晶粒尺寸减小12%(248→217 μm)。计算机视觉分析显示，高冷却速率下晶粒生长轨迹更平滑，表明USMP改善了溶质分布均匀性。

【4.2 溶质调控机制】HEA添加使液相最大Cu浓度从19.7 wt%降至14.6 wt%。原位观测发现非形核HEA颗粒(Sphere 2)通过Zener钉扎效应阻碍晶界迁移，而形核颗粒(Sphere 1)增加晶粒密度，双重作用使晶粒形态从枝晶向等轴晶转变。

该研究阐明了HEA颗粒通过"异质形核促进-生长抑制"双路径细化机制：超声诱导的Fe-Ni界面层降低形核势垒，而未熔HEA颗粒通过物理阻碍限制晶粒生长。所得AMCs晶粒尺寸突破200 μm工业应用阈值，为开发高强韧铝合金提供了理论依据和工艺窗口。研究建立的"原位观测-机器学习"方法体系，为多元合金凝固研究树立了新范式。