Acta Mater.：亞共晶Al-Cu合金在快速凝固下的微觀結構變化

【引言】

在增材制造(AM)或激光束焊接(LBW)過程中，快速凝固(RS)可以產生亞穩相同時改變多組分合金中的微觀結構。近日，有學者報道了合金在快速凝固相變過程中微觀結構的變化以及相應的動力學研究。

【成果簡介】

近日，來自美國匹茲堡大學的K.W. Zweiacker (通訊作者)等人在Acta Mater.上發布了一篇關于亞共晶Al-Cu合金快速凝固下的微觀結構的文章，題為“Composition and automated crystal orientation mapping of rapid solidification products in hypoeutectic Al-4 at.%Cu alloys”。

作者通過透射電子顯微鏡(TEM)、掃描透射電子顯微鏡(STEM)和能量色散X射線光譜(EDXS)研究了α-Al基體與Al-4Cu微觀結構中富Cu相的晶體取向關系(OR)。研究結果表明，在凝固速率的柱狀生長區，非平衡相之間建立了兩種不同的取向關系，即{110}θ|| ||{001}α, [001]θ|| || [110]α和{001}θ|| ||{001}α, [100]θ|| || [100]α。這種取向關系形成了具有低界面自由能的相干相界面。在柱狀晶區的晶粒生長期間，相對于更穩定的平衡θ-Al2Cu相，熱力學上不太穩定的θ'-Al₂Cu相更具有動力學優勢，因而需要重復形核來構建θ' -Al₂Cu相。

【圖片導讀】

圖1 未加工前樣品的晶粒尺寸、形態結構和相組成

(a) α-Alθ-Al2Cu反極點方向和相關極點的顏色圖；

(b) α-Al（紅色，92.1％）和θ-Al 2 Cu（綠色，7.9％）的相圖;

(c) STEM高角度環形暗場（HAADF）圖像；

(d) Cu分布熱圖；

(e) 選區電子衍射(SAED)圖。

圖2 Al-Cu薄膜熔池的光學顯微照片

(a) 樣品的凝固微觀結構；

(b) 四個形態不同的區域STEM環形暗場（ADF）圖像;

(c) 達到臨界生長速度后形成帶狀形態晶粒的區域。

圖3 樣品熱影響區的STEM環形暗場(ADF)圖像

(a) 樣品的STEM環形暗場（ADF）圖像；

(b) 基于EDXS的Cu組分熱圖;

(c) 區域1和α-Al晶粒中標出的選定區域的Cu組分平均值；

(d) EDXS線掃描晶界；

(e) RS期間通過平行于近似熱流方向的箭頭標記。

圖4 樣品的自動晶相圖(ACOM)

(a) 基于IPF的晶向圖；

(b) α-Al的相位圖;

(c-d) α-Al和θ'-A_l2Cu相的極點圖；

圖5 界面平均凝固速率的變化

階段I標志著階段II中快速凝固開始之前的潛伏期，以恒定的界面加速度過渡到階段III，以及界面提高加速后的階段IV。

圖6 樣品的晶體取向

沿著(110)和(001)α兩個方向法向的原子排列投影表明，{110}θ|| ||{001}α界面可以良好的實驗原子位置的匹配。根據這里觀察到的兩種特定的取向關系，在Al-4Cu快速凝固(RS)微觀結構中的θ'-Al₂Cu和α-Al相之間形成相干界面是可行的。

【小結】

這篇文章介紹了亞共晶Al-Cu合金在快速凝固下的微觀結構變化，作者研究從區域1微觀結構部分熔化的熱影響區(HAZ)到定向的快速凝固(RS)晶體生長在強驅動條件下的轉變，元素組成變化的趨勢和性質并且確定了它們之間的晶體取向關系。此外，作者還測量了固-液界面遷移速度的變化（階段I，階段II和階段III）以及在Al中晶體生長模式的相關變化，并討論了Al-4Cu中凝固微觀結構每個形態上不同區域的各自特征。

文獻鏈接：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）

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