第一作者：陈凯旋副教授

通讯作者：Gilles Demange教授（法国鲁昂大学），王自东教授

第一通讯单位：北京科技大学材料科学与工程学院

合作单位：法国鲁昂大学、瑞典皇家理工学院、

瑞典Thermo-Calc Software AB公司

导读

析出强化是增强金属合金的方法之一。理解析出过程，尤其是在粗化阶段析出相形态的演变，是设计微观结构以获得高性能的关键因素。在Cu-Fe、Ni-Al、Al-Sc和Ti-Al合金体系中，富铁相、Ni3Al相、Al3Sc相、Ti3AlC相的特性是决定合金力学性能的关键因素。铜基、镍基、铝基和钛铝基合金中的析出相颗粒在热处理或长期高温服役阶段会不可避免地发生形态演变，不同的颗粒形态产生不同的强化效果，控制不慎将导致性能的恶化。王自东教授课题组前期与法国鲁昂大学等合作研究了高温下铜合金中富铁相的析出和形态演变行为，发现了富铁颗粒“球状→立方状→花瓣状”的演变方式，模拟了Cu-Fe二元体系等温过程中富铁相的形态演变过程（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）。前期针对Cu-Fe体系中富铁相形态演变的相场模拟（PFM），发现富铁颗粒在形态演变末期会保持花瓣状，而该预测结果与TEM观察到的花瓣颗粒发生分裂的结果并不一致。另外，处于分裂阶段的花瓣状富铁相尺寸（~1μm）已经超出了前期研究中相场模拟盒子的空间范围，并且富铁相接近或超过1μm时，颗粒-基体界面从共格关系转变为半共格或非共格关系，此时析出相长大过程发生了由界面控制到体积扩散控制的转变，小尺寸析出相形态演变的相场模型将对大尺寸花瓣状析出相的演变行为失去效用。

在本文中，王自东教授课题组联合国际院所，结合FIB-SEM断层扫描技术和PFM模拟，首次揭示了富铁颗粒在纳米→微米跨尺度生长过程中完整、精确的形态演变行为，澄清了花瓣状颗粒的“分裂”现象，验证和优化了析出相形态演变的动力学模型，为高性能铜合金中富铁相形态的宏、微观调控奠定了理论基础（图1）。

图1 高温下Cu-Fe体系中富铁相形态演变过程的三维表征和模拟

研究内容

综合考虑界面能、弹性应变能和化学驱动力的交互作用建立了描述合金中析出行为的动力学方程，并完成了对前期相场模型的修正和完善，基于Cu-Fe合金中富铁析出相晶体学特征参数的表征结果和热力学参数的CALPHAD计算数据，采用相场法在纳米→亚微米→微米尺度模拟了富铁相的形态演变行为，发现其经历了球状→立方状（~43 nm）→具有主分支的花瓣状（~110 nm）→具有主分支和二次分支的花瓣状（~1.3μm）的多重形态演变（图2），相场模拟获得的析出相形态转变序列、临界转变尺寸及三维形态精细特征与二维、三维实验表征结果一致，而且三维相场模拟中同样未出现花瓣状颗粒的分裂行为（图3）；对模拟获得的具有复杂分支结构的花瓣状富铁颗粒的三维形态沿着不同取向进行二维切片，获得与FIB-SEM三维重构形态的二维切片上相一致的形态特征，从理论上证实花瓣状富铁相的“分裂”源于对复杂三维形态在二维投影上的错误解读（图4）。基于本文的实验和理论成果，完善了富铁相尺寸、形态及其他晶体学特征的可控性机制，为发展析出相形态控制理论和技术提供支撑，开拓了基于析出相形态调控的成分设计和工艺优化方法。开展的跨尺度相场模拟研究对于准确预测Al-Sc、Ni-Al、Ti-Al等其他析出强化型合金中析出相的形态演化行为具有重要的指导意义。

图2 富铁析出相在高温铜基体中复杂形态演变的三维相场模拟

图3  Cu-2.05Fe合金退火态富铁析出相三维形貌特征的FIB-SEM层析成像

图4  沿着(a) (100) γ、(b) (110) γ和(c) (111) γ晶面对花瓣状富铁相的FIB-SEM三维重构形态连续切片获得的二维形态特征

论文信息

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

论文链接 https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.119874