枝晶取向轉(zhuǎn)變(DOT)與各向異性界面能的關(guān)系

枝晶取向轉(zhuǎn)變(DOT)發(fā)生在許多合金中，如Al-Zn、Al-Cu、Al-Ge、Al-Sm、Al-Zn-Cr、Cu-Ni、Mg-Al等。對于Al-Zn合金，當(dāng)Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%時(shí)，自然時(shí)效傾向大，無需熱處理即可獲得較高的強(qiáng)度。Al-Zn合金固-液界面的不穩(wěn)定性導(dǎo)致在凝固過程中產(chǎn)生大量枝晶。各向異性枝晶形貌和微偏析對合金的耐蝕性和熱穩(wěn)定性有重要影響。現(xiàn)階段已對Al-Zn合金的DOT進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究，發(fā)現(xiàn)Zn含量的變化將影響界面能的各向異性。盡管各向異性在固-液界面能中的作用在20世紀(jì)末已被研究討論，但仍存在幾個(gè)重要問題，即各向異性如何影響固-液界面的過渡區(qū)或枝晶取向及其與溶質(zhì)濃度之間的關(guān)系尚不清晰。Al-Zn合金的DOT特性及其對各向異性和Zn含量的依賴性仍存在爭議。

北京科技大學(xué)等單位的一項(xiàng)最新研究探討了枝晶取向轉(zhuǎn)變(DOT)與各向異性界面能的關(guān)系，以及Al-Zn合金中枝晶的特殊形態(tài)和演化過程，明確了DOT對應(yīng)的界面能各向異性參數(shù)范圍，并且多級(jí)分析了由液孔或液槽引起的凝固和溶質(zhì)偏析。

本文選取Al-12wt.%Zn合金進(jìn)行枝晶形貌和微觀偏析研究。研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整界面能各向異性參數(shù)，界面能各向異性驅(qū)動(dòng)枝晶取向轉(zhuǎn)變a1和a2，可以獲得沿<100>和<110>方向的典型枝晶和過渡枝晶圖案。隨著a1減少，枝晶形態(tài)從經(jīng)典的“圣誕樹”（a1=0.16-0.063)到“海藻”(a1=0.062-0.04)，然后到“蝴蝶”(a1=0.04-0.00)。枝晶取向從<100>到<110>連續(xù)變化，平滑過渡。枝晶取向轉(zhuǎn)變需要較小的a2（-0.005、-0.01和-0.015）和較大的a1（0.061、0.076和0.137）。不同濃度Al-Zn合金楊氏模量各向異性（剛度）的第一性原理計(jì)算與相場模擬和實(shí)驗(yàn)一致。

圖1 不同條件下枝晶形態(tài)模擬a1=(a) 0.16, (b) 0.12, (c) 0.09, (d) 0.08, (e) 0.075, (f) 0.06, (g) 0.03,(h) 0.01, (i) 0.0

圖2 Al-Zn合金枝晶形態(tài)區(qū)域劃分、過渡不穩(wěn)定線和楊氏模量

圖3 Al-12wt.%Zn二維和三維溶質(zhì)濃度場的相場模擬

圖4 不同合金的EBSD結(jié)果(a) Al-10%Zn, (b) Al-30%Zn, (c) Al-55%Zn and (d) Al-75%Zn.

圖5 多尺度原理圖

由界面能量各向異性引起的枝晶取向轉(zhuǎn)變導(dǎo)致不同程度的溶質(zhì)偏析。<100>處的二次臂頸縮熔合形成一次、二次液孔，其多級(jí)凝固順序?qū)е氯苜|(zhì)偏析。<110>中的液槽導(dǎo)致了更嚴(yán)重的溶質(zhì)偏析。液槽內(nèi)的溶質(zhì)擴(kuò)散速率遠(yuǎn)低于枝晶尖端，導(dǎo)致液槽越來越深。典型的<100>枝晶沒有液槽，<110>海藻或蝴蝶晶體中的液槽深度隨著過飽和度的增加而增加，加劇了溶質(zhì)偏析。在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)選擇結(jié)晶成分范圍窄、結(jié)晶溫度間隔短、無液相槽的鑄造合金。

本文提出了從Wulff理論到各向異性界面能再到相場建模的思想，并討論了各向異性的多種來源，分析合金濃度、楊氏模量（剛度）和界面能各向異性的相關(guān)性，本文明確了Al-Zn合金的DOT特性及其對各向異性和Zn含量的依賴關(guān)系，并對相場方法的未來應(yīng)用提出了設(shè)想。