合金定向凝固中的“禁区”现象：通过相场模拟揭示其对柱状晶粒选择与生长的负面影响

《Journal of Materials Science & Technology》：The “blackout zone” in alloy directional solidification: Impairing columnar dendrite selection and growth as revealed by phase-field simulations

通过定量相场模拟研究不同温度梯度和提拉速度下熔体过冷度演变规律，揭示初始瞬态阶段存在抑制柱状晶选择和生长的“黑暗区”，其过冷度及区域范围达到峰值。三维模拟验证高温度梯度促进新晶核形成，加速柱状-等轴晶转变，但单纯增加温度梯度并不最优。

　　在材料科学领域，单晶涡轮叶片的制造是关键的技术之一，而这一过程的核心在于如何有效地选择和生长柱状树枝晶。在定向凝固过程中，初始瞬态阶段的新晶核形成对柱状树枝晶的选择和生长构成了显著的抑制作用。因此，理解熔体在柱状树枝晶生长期间的过冷行为对于控制最终的微观结构至关重要。本文通过定量相场模拟，研究了在不同温度梯度和拉出速率条件下熔体过冷的演变过程，从而揭示了在柱状树枝晶形成过程中过冷的动态变化规律。

研究发现，控制新晶核形成的过冷程度在整个凝固过程中随温度梯度和拉出速率的增加而提高。这意味着，在更高的温度梯度和更快的拉出速率下，熔体更容易达到足以引发新晶核形成的过冷状态。这一发现尤为重要，因为新晶核的形成会干扰柱状树枝晶的有序生长，从而影响最终的单晶结构。进一步地，研究中发现了一个显著的“黑区”，该区域在初始瞬态阶段对柱状树枝晶的选择和生长构成重大风险。在“黑区”内，过冷程度和过冷区域的长度均达到峰值，这使得该区域成为新晶核最容易形成的地方。

为了验证这些发现，研究团队还进行了带有预设人工晶核剂的三维相场模拟。结果表明，在“黑区”内确实容易发生晶核形成，并且较高的温度梯度会促进晶核的形成，从而加快柱状向等轴晶的转变（CET）。这一结果与传统的理解有所不同，传统观点认为增加温度梯度有助于提高柱状树枝晶的选择效率。然而，本文的研究指出，仅仅提高温度梯度（即使允许熔体产生一定的组成过冷）并不是最佳选择，因为这可能会导致更多的晶核形成，从而削弱柱状树枝晶的生长能力。

此外，研究还探讨了温度梯度和拉出速率对柱状树枝晶生长过程中过冷变化的影响。通过定量相场模拟，研究团队能够更准确地追踪熔体在不同条件下的过冷演变行为，并揭示其对最终微观结构的控制机制。例如，在不同的温度梯度和拉出速率条件下，熔体的过冷区域长度和分布呈现出显著的差异。这些差异不仅影响了晶核的形成位置，还决定了树枝晶的生长方向和形态。因此，通过调整温度梯度和拉出速率，可以有效控制熔体过冷的分布，从而优化单晶结构的形成。

在实验研究方面，近年来随着同步辐射X射线成像技术的发展，研究人员能够更直观地观察合金凝固过程中的动态变化。例如，Jia等人利用同步辐射X射线成像技术测量了Al-15wt.%Cu合金在固液界面前方的溶质分布和溶质抑制晶核区（SSNZ）的大小。他们发现，随着冷却速率的增加，SSNZ的大小和激活晶粒之间的间距均减小。这一结果表明，冷却速率对晶核形成和树枝晶生长具有重要影响。然而，实验数据与理论预测之间仍存在一定的偏差，这使得直接测量熔体的过冷程度及其分布仍然面临挑战。

同步辐射实验的一个主要问题是熔体容易受到杂质颗粒的污染，这会干扰实验数据的准确性。此外，对于某些特定合金（如Fe-C合金），固相和液相之间的对比度较低，这使得区分树枝晶形态变得非常困难。因此，定量数值模拟成为研究合金凝固过程中熔体过冷分布的重要方法。相场方法作为一种强大的数值模拟工具，已经被广泛应用于研究合金凝固过程中的生长动力学、选择机制、形态演化、溶质偏析等现象。

本文的研究采用了相场方法，对模型合金Al-3wt.%Cu的定向凝固过程进行了定量模拟。通过调整温度梯度和拉出速率，研究团队能够清晰地观察到熔体过冷的变化趋势，并进一步探讨了不同过冷演变行为对晶核形成的影响。研究结果表明，温度梯度和拉出速率对熔体过冷的演变具有显著的调控作用，而“黑区”的存在则进一步强调了在初始瞬态阶段过冷分布的重要性。

在实际应用中，单晶涡轮叶片的制造需要精确控制熔体的过冷行为，以确保柱状树枝晶的有序生长。然而，传统的制造工艺往往难以实现这一目标，因为新晶核的形成会干扰柱状树枝晶的生长。因此，通过数值模拟技术，可以更深入地理解熔体过冷的演变规律，并为优化制造工艺提供理论依据。此外，研究结果还表明，在某些特定条件下，人工晶核剂的引入可以有效促进晶核的形成，从而改善微观结构的均匀性。

本文的研究不仅为理解定向凝固过程中熔体过冷的演变提供了新的视角，还为控制单晶和人工晶核铸造中的微观结构提供了重要的理论支持。通过定量相场模拟，研究人员能够更精确地预测晶核形成的位置和时间，从而优化凝固参数，提高单晶结构的质量。此外，研究还揭示了温度梯度和拉出速率之间的相互作用，以及它们对过冷分布的影响。这些发现对于未来在高温合金、金属材料等领域的研究具有重要意义。

综上所述，本文通过定量相场模拟方法，深入探讨了定向凝固过程中熔体过冷的演变规律。研究结果表明，温度梯度和拉出速率对过冷的分布具有显著影响，而“黑区”的存在则进一步强调了在初始瞬态阶段过冷控制的重要性。通过调整这些参数，可以有效促进柱状树枝晶的生长，减少新晶核的形成，从而提高单晶结构的质量。这些研究成果不仅拓展了对定向凝固过程中树枝晶生长机制的理解，还为实际制造工艺的优化提供了新的思路和方法。