γ′相形成元素调控定向凝固高温合金微观结构演变与稳定性的原子尺度研究

针对定向凝固高温合金(DS superalloy)中γ′相形成元素(Al/Ti)对组织稳定性的影响机制不明问题，浙江大学团队通过调控Al(5-6%)和Ti(1-2%)含量，发现γ′相形成元素增加会显著提升共晶含量但降低偏析率，热处理后形成四层分层结构且无法消除不均匀性。该研究为优化DS superalloy中γ/γ′两相协同强化提供了原子百分比(at%)设计新思路。

　　

论文解读
在航空发动机和地面燃气轮机的"心脏"部件中，镍基定向凝固高温合金(DS superalloy)因其优异的抗蠕变性能和成本效益，成为单晶合金的重要替代品。这类合金的力学性能核心来源于γ基体与γ′沉淀相(Ni₃
Al/Ni₃
Ti)的协同作用，其中γ′相形成元素Al/Ti的含量调控堪称合金设计的"命门"。然而当前面临两大矛盾：一方面增加Al/Ti可提升γ′相体积分数和反相畴界能(APB energy)，但另一方面过量Ti会诱发有害η相(Ni₃
Ti)和共晶组织；更棘手的是，这些轻元素微小的质量分数变化可能引发原子百分比的剧烈波动，传统质量百分比设计已难以满足精密调控需求。

针对这一挑战，浙江大学研究人员在《Materials Today Nano》发表研究，创新性地从原子百分比(at%)视角出发，设计了两组DS superalloy：DS1(5%Al+1%Ti)和DS2(6%Al+2%Ti)，通过定向凝固、热处理、电子显微镜(EPMA/TEM)和X射线衍射等技术，系统探究了γ′相形成元素对微观结构演变的影响规律。

主要技术方法
研究采用真空感应熔炼制备合金，通过Bridgman法进行定向凝固，使用电子探针微区分析(EPMA)测定元素分布，结合扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)观察组织形貌，通过X射线衍射(XRD)分析γ/γ′两相晶格错配，并利用热力学计算软件进行相图预测。实验样本为自主设计的两种不同Al/Ti含量合金。

研究结果
As cast microstructure
铸态组织中，DS2的一次枝晶臂间距(412μm)较DS1(378μm)增大9%，共晶面积分数从3.2%激增至7.5%。值得注意的是，虽然W/Mo元素的排出使偏析比降低，但Al/Ti增加导致微观不均匀性加剧，这为后续热处理埋下隐患。

Conclusions
研究得出三大关键结论：(1)γ′相形成元素增加会显著提升共晶含量(质量分数2%变化对应原子分数3%波动)，但通过排出W/Mo降低偏析比；(2)热处理后形成独特的四层分层结构，且组织不均匀性不可逆；(3)高Al/Ti含量会加速γ′相粗化，增大枝晶区两相晶格错配应力，损害结构稳定性。

重要意义
该研究首次从原子百分比维度揭示了Al/Ti元素对DS superalloy的"双刃剑"效应：虽然能增强γ′相沉淀强化，但会牺牲组织稳定性。这一发现为发展高性能DS superalloy提供了新准则——需精确平衡Al/Ti的原子分数而非单纯追求质量分数增加。研究提出的四层结构形成机制和晶格错配调控策略，为开发新一代地面燃气轮机用高温合金奠定了理论基础。