Acta Mater.：亚共晶Al-Cu合金在快速凝固下的微观结构变化

【引言】

在增材制造(AM)或激光束焊接(LBW)过程中，快速凝固(RS)可以产生亚稳相同时改变多组分合金中的微观结构。近日，有学者报道了合金在快速凝固相变过程中微观结构的变化以及相应的动力学研究。

【成果简介】

近日，来自美国匹兹堡大学的K.W. Zweiacker (通讯作者)等人在Acta Mater.上发布了一篇关于亚共晶Al-Cu合金快速凝固下的微观结构的文章，题为“Composition and automated crystal orientation mapping of rapid solidification products in hypoeutectic Al-4 at.%Cu alloys”。

作者通过透射电子显微镜(TEM)、扫描透射电子显微镜(STEM)和能量色散X射线光谱(EDXS)研究了α-Al基体与Al-4Cu微观结构中富Cu相的晶体取向关系(OR)。研究结果表明，在凝固速率的柱状生长区，非平衡相之间建立了两种不同的取向关系，即{110}θ|| ||{001}α, [001]θ|| || [110]α和{001}θ|| ||{001}α, [100]θ|| || [100]α。这种取向关系形成了具有低界面自由能的相干相界面。在柱状晶区的晶粒生长期间，相对于更稳定的平衡θ-Al2Cu相，热力学上不太稳定的θ'-Al₂Cu相更具有动力学优势，因而需要重复形核来构建θ' -Al₂Cu相。

【图片导读】

图1 未加工前样品的晶粒尺寸、形态结构和相组成

(a) α-Alθ-Al2Cu反极点方向和相关极点的颜色图；

(b) α-Al（红色，92.1％）和θ-Al 2 Cu（绿色，7.9％）的相图;

(c) STEM高角度环形暗场（HAADF）图像；

(d) Cu分布热图；

(e) 选区电子衍射(SAED)图。

图2 Al-Cu薄膜熔池的光学显微照片

(a) 样品的凝固微观结构；

(b) 四个形态不同的区域STEM环形暗场（ADF）图像;

(c) 达到临界生长速度后形成带状形态晶粒的区域。

图3 样品热影响区的STEM环形暗场(ADF)图像

(a) 样品的STEM环形暗场（ADF）图像；

(b) 基于EDXS的Cu组分热图;

(c) 区域1和α-Al晶粒中标出的选定区域的Cu组分平均值；

(d) EDXS线扫描晶界；

(e) RS期间通过平行于近似热流方向的箭头标记。

图4 样品的自动晶相图(ACOM)

(a) 基于IPF的晶向图；

(b) α-Al的相位图;

(c-d) α-Al和θ'-A_l2Cu相的极点图；

图5 界面平均凝固速率的变化

阶段I标志着阶段II中快速凝固开始之前的潜伏期，以恒定的界面加速度过渡到阶段III，以及界面提高加速后的阶段IV。

图6 样品的晶体取向

沿着(110)和(001)α两个方向法向的原子排列投影表明，{110}θ|| ||{001}α界面可以良好的实验原子位置的匹配。根据这里观察到的两种特定的取向关系，在Al-4Cu快速凝固(RS)微观结构中的θ'-Al₂Cu和α-Al相之间形成相干界面是可行的。

【小结】

这篇文章介绍了亚共晶Al-Cu合金在快速凝固下的微观结构变化，作者研究从区域1微观结构部分熔化的热影响区(HAZ)到定向的快速凝固(RS)晶体生长在强驱动条件下的转变，元素组成变化的趋势和性质并且确定了它们之间的晶体取向关系。此外，作者还测量了固-液界面迁移速度的变化（阶段I，阶段II和阶段III）以及在Al中晶体生长模式的相关变化，并讨论了Al-4Cu中凝固微观结构每个形态上不同区域的各自特征。

文献链接：Composition and automated crystal orientation mapping of rapid solidification products in hypoeutectic Al-4 at.%Cu alloys (Acta Mater., 5 December, 2017 , DOI: 10.1016/j.actamat.2017.11.040）

本文由材料人编辑部金属学术组jcfxs01供稿，材料牛编辑整理。

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