低固溶度Au-Pt-Pd合金中的自旋轨道分解现象与不连续析出过程：一项原位X射线衍射研究

《ACTA MATERIALIA》：Spinodal decomposition and discontinuous precipitation in a low?solvus Au?Pt?Pd alloy: an in situ X?ray diffraction study

Au-Pt-Pd合金在时效处理中经历Spinodal分解与不连续沉淀析出的竞争机制，通过高分辨同步辐射X射线衍射（sXRD）实时观测到纳米尺度相分离演化，结合透射电镜（TEM）、扫描电镜（SEM）及原子探针层析术（APT）验证了调制结构波长随时间幂律增长规律（m=5.2-2.5），并揭示淬火态材料存在Pd富集的纳米尺原子聚类导致X射线衍射峰不对称展宽。

　　本研究聚焦于一种新型的Au-Pt-Pd三元合金的微观结构演化过程，特别是在时效处理过程中出现的两种关键相变机制：自旋分解（spinodal decomposition）和不连续析出（discontinuous precipitation）。该合金设计用于在较低的析出温度下仍能保持良好的时效硬化能力，从而在不引发熔化风险的前提下实现机械性能的优化。通过高分辨率同步辐射X射线衍射（sXRD）技术，研究人员实现了对时效过程中微观结构变化的实时监测，并结合扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和原子探针断层扫描（APT）等手段，对析出机制进行了多维度分析。研究结果不仅揭示了两种析出机制的相互作用，还为理解相分离系统中成分、微观结构和晶体学之间的关系提供了新的视角。

在合金设计阶段，研究团队基于热力学计算方法选择了Au-34Pt-24Pd的成分比例。这一选择是基于对Au-Pt相图的分析，其中自旋分解区域的宽度决定了合金的析出能力。通过调整析出温度和时效时间，研究人员能够观察到自旋分解与不连续析出的动态演变过程。在时效初期，自旋分解主导了相分离过程，形成了具有特定波长的调制结构，这种结构在X射线衍射图谱中表现为布拉格反射峰的侧带。随着时效时间的延长，这些侧带逐渐被两种具有不同晶格参数的面心立方相（α1和α2）取代，表明不连续析出机制开始发挥作用，逐渐消耗了原始的调制结构。

在时效过程中，X射线衍射图谱的变化显示了调制结构的持续粗化，其时间依赖性符合幂律规律。同时，不连续析出的演变则符合Avrami模型，该模型用于描述成核与生长的 kinetics。通过不同角度的布拉格反射峰分析，研究团队进一步确认了这两种析出机制在不同温度下的相对主导作用。在较低温度下，自旋分解主导，而在较高温度下，不连续析出成为主要的相变方式。这种变化趋势在实验数据中得到了清晰的体现，并通过高分辨显微镜图像进一步验证了不连续析出的形态特征，如在晶界处形成的层状两相结构。

值得注意的是，研究团队在淬火状态下观察到了布拉格峰的不对称和各向异性展宽现象，这与元素聚集引发的相干应变有关。APT分析显示，淬火后的材料中存在纳米尺度的元素聚集，这些聚集在X射线衍射图谱中表现为布拉格峰的不对称展宽。这种现象表明，元素在晶格中的非均匀分布对材料的力学性能具有重要影响，尤其是在自旋分解过程中，由于晶格参数的微小变化，导致原子位置偏离理想状态，从而产生相干应变。相干应变在立方晶体系统中往往沿<100>方向发生，以减少弹性应变能。

在时效过程中，调制结构的粗化速度受到温度的影响。在560°C时效时，调制结构的波长随时间增加，且其粗化过程符合幂律规律。而在653°C和741°C的时效过程中，调制结构的粗化行为则有所不同。特别是在741°C时，调制结构的波长迅速增长，最终被不连续析出的两相结构所取代。这种粗化行为与经典的Lifshitz-Slyozov-Wagner（LSW）模型的预测值存在差异，说明在自旋分解过程中，材料的几何形态复杂性可能对粗化行为产生显著影响。此外，Avrami模型的指数分析表明，不连续析出的成核与生长过程具有独特的动力学特征，其指数低于经典预测值，暗示了析出过程中可能存在持续性析出或成核位点的维度限制。

通过分析时效后样品的硬度，研究团队进一步验证了析出机制对材料性能的影响。在淬火状态下，样品的硬度较低，但经过时效处理后，硬度显著提升。特别是在560°C时效5小时后，硬度达到347 HV1，这表明自旋分解对材料的强化效果显著。然而，随着时效温度的升高，不连续析出的出现逐渐降低了硬度，说明两种析出机制在不同温度下的相对贡献发生了变化。这种硬度变化与微观结构的演化密切相关，自旋分解产生的相干应变和不连续析出形成的两相结构共同影响了材料的力学性能。

本研究还探讨了Au-34Pt-24Pd合金在时效处理中的性能表现。该合金的析出温度低于预期，这为工业应用提供了优势，因为它允许在较低温度下进行时效处理，从而降低了熔化的风险。然而，这种低析出温度也带来了一定的挑战，例如需要通过多阶段的热处理来实现材料的完全均匀化。尽管如此，该合金仍表现出良好的时效硬化能力，其硬度远高于传统Au-30Pt-0.5Rh合金。这表明，通过引入Pd元素，可以在保持合金机械性能的同时，降低析出温度，从而拓宽其热处理窗口。

研究团队的发现对于未来开发基于Au-Pt-Pd系统的合金具有重要意义。首先，低析出温度的合金设计为工业应用提供了更宽的热处理范围，同时避免了高温处理可能带来的熔化风险。其次，通过实时监测，研究团队能够清晰地识别出自旋分解和不连续析出的相互作用，为优化合金的时效工艺提供了理论依据。此外，该研究还表明，高分辨率同步辐射X射线衍射是一种强大的工具，能够提供关于析出现象的深入理解，包括成分变化、微观结构演化和晶体学特征。

在实际应用方面，这种合金可能具有广泛的前景。例如，它可用于制造耐腐蚀的纺织喷丝板，以及治疗动脉瘤的栓塞线圈。在喷丝板应用中，合金需要在淬火后的软态下进行穿孔，随后通过时效处理获得所需的机械性能。而在医疗应用中，合金的高硬度和良好的生物相容性使其成为理想的材料选择。此外，该合金的性能优势还可能通过进一步的合金设计和热处理工艺优化得到提升。

本研究的成果不仅加深了对自旋分解和不连续析出机制的理解，还为未来的合金开发提供了新的思路。例如，研究团队指出，通过引入更高阶的合金元素，可以有效抑制不连续析出，从而提高材料的硬度。此外，对析出行为的深入研究也有助于优化时效处理参数，以实现最佳的性能平衡。这些发现为开发新型高强、耐腐蚀的贵金属合金提供了重要的理论支持和实验依据。

综上所述，本研究通过高分辨率同步辐射X射线衍射技术，系统地分析了Au-34Pt-24Pd合金在不同温度下的时效行为。研究结果表明，自旋分解和不连续析出两种机制在时效过程中共同作用，且其演化行为受到温度和时间的显著影响。此外，通过结合多种分析手段，研究人员揭示了这两种析出机制对材料性能的具体贡献，为未来的合金设计和性能优化提供了重要的参考价值。