铼元素对镍基高温合金枝晶演化与偏析行为的相场模拟研究及其高温性能调控机制

本研究针对镍基单晶高温合金中铼(Re)含量对枝晶形貌转变和微观偏析的影响机制，采用耦合PANDAT热力学数据库的KKS相场模型，模拟了Ni-9wt.%Al-xwt.%Re（x=3-6）合金定向凝固过程。发现Re含量升高会延缓平面-胞状-枝晶转变速度，降低Al/Re的分配系数，并通过改变液固相线温度范围调控元素偏析程度，为新一代高温合金的成分设计提供理论依据。

　　

镍基单晶高温合金作为航空发动机涡轮叶片的核心材料，其高温性能直接决定装备的服役极限。随着合金代际发展，铼(Re)的添加量从第二代3wt%提升至第三代6wt%，使工作温度提高30-60°C，但Re在枝晶核部的强烈偏析会恶化后续热处理效果。更棘手的是，现有研究对Re的作用机制存在矛盾结论：Lee发现拉速100μm/s时Re偏析随含量增加而降低，10μm/s时却相反；Caldwell和El-Bagoury关于Re自偏析趋势的结论甚至完全相左。这种争议源于传统实验难以捕捉定向凝固初始瞬态过程的微观演化细节。

西北工业大学团队在《Progress in Natural Science: Materials International》发表研究，通过耦合CALPHAD(计算相图)热力学数据库的KKS相场模型，首次系统模拟了Ni-9wt.%Al-xwt.%Re（x=3-6）合金在2×10⁴
K/m温度梯度下的定向凝固全过程。关键技术包括：1)采用PANDAT软件建立相平衡成分与温度的定量关系；2)构建包含双阱势函数的多组分相场控制方程；3)引入无量纲过冷度(U)和过饱和度(Ω)表征形貌转变动力学。

枝晶生长
模拟显示凝固初期经历平面-胞状-枝晶(P-C-D)三阶段转变：3wt%Re合金在0.12s完成转变，而6wt%Re延迟至0.18s。Re通过降低U和Ω值延缓转变速度，这与Re增大固液界面能的理论相符。高Re含量使枝晶尖端半径从4.2μm增至6.8μm，但二次枝晶臂间距缩小15%。

溶质分布
Al在枝晶间富集程度随Re含量从3wt%增至6wt%而加剧，偏析比(定义为枝晶间/枝晶核浓度比)从1.8升至2.3；Re则呈现相反趋势，其偏析比从4.7降至3.9。这种"此消彼长"源于Re扩大液相线-固相线温度区间(ΔT_L-S
)，使Al的平衡分配系数k_Al
从0.72降至0.68，而k_Re
从1.25降至1.18。

动力学分析
初始瞬态阶段Al/Re的k值均出现振荡，但2s后趋于稳定。6wt%Re合金达到稳态所需时间比3wt%延长40%，这与Re降低溶质扩散系数(D_L
^Re
=2.1×10^-9
m²
/s)直接相关。值得注意的是，高Re含量使枝晶生长取向偏离<100>理想方向达8°，这可能诱发后续热处理中的再结晶缺陷。

该研究揭示Re通过三重机制影响合金性能：1)热力学上扩大ΔT_L-S
改变溶质截留；2)动力学上降低界面迁移率延缓形核；3)形态学上促进枝晶细化但增加取向偏差。这些发现为"成分-工艺-组织"协同优化提供新思路：对于第三代合金，建议采用梯度热场补偿Re导致的凝固延迟，并通过添加钇(Y)来抑制枝晶取向偏离。国家自然科学基金(52031012)和凝固技术国家重点实验室(2022-TZ-01)的支持使该成果有望应用于国产商用发动机涡轮叶片的成分设计。