铝铈钛三元体系富铝区相图解析与凝固行为研究

为解决铝基合金在航空航天等领域对轻量化高强材料的迫切需求，研究人员针对Al-Ce-Ti三元体系富铝区（Al>60 at.%）开展相平衡研究。通过19种铸态与7种退火合金样本，结合SEM/EDS、EPMA/WDS、XRD和DSC技术，首次绘制出773 K等温截面及液相投影图，鉴定出γ-TiAl、ζ-Ti2+xAl5-x等9种初生凝固相，揭示8类三元不变反应。该成果为铝合金热力学建模及高性能材料开发提供关键实验依据。

　　

铝合金因其轻质高强的特性，已成为航空航天和汽车制造领域的明星材料。然而，随着服役环境日益严苛，传统铝合金的性能瓶颈逐渐显现。如何在保持轻量化的同时提升强度、耐热性和耐腐蚀性？科学家们将目光投向合金化策略——通过添加过渡金属（TM）和稀土（RE）元素形成强化相。钛（Ti）和铈（Ce）的协同效应尤为引人注目：Ti在铝基体中极低的溶解度和缓慢扩散速率能形成TiAl₃弥散相，而Ce则通过细化晶粒和生成Al₁₁Ce₃相显著提升高温稳定性。但令人遗憾的是，尽管Al-Ce、Al-Ti等二元体系研究已较成熟，三元体系尤其是富铝区的相平衡机制仍是未解之谜。这种认知空白严重制约了新型铝合金的理性设计。

针对这一挑战，广西科技重大专项支持的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表重要成果。研究人员采用电弧熔炼法制备19种铸态和7种773 K退火合金，通过多尺度表征技术联用，首次系统解析Al-Ce-Ti三元体系富铝区的相平衡规律。

研究团队运用四大关键技术：1）水冷铜坩埚电弧熔炼技术制备高纯度合金样品；2）扫描电镜（SEM）结合能谱（EDS）分析微观形貌与成分；3）电子探针微区分析（EPMA/WDS）精确测定相组成；4）X射线衍射（XRD）与差示扫描量热法（DSC）联用鉴定物相与热力学行为。所有样品均采用99.99%高纯原料，并通过五次重熔确保成分均匀性。

液相投影与初生凝固相
通过铸态合金分析，研究首次绘制出Al>60 at.%区域的液相投影图，鉴定出9个初生凝固相区域，包括γ-TiAl、ζ-Ti_2+xAl_5-x等钛铝化合物，以及Al₂Ce、α/β-Al₁₁Ce₃等铈铝相。特别值得注意的是发现了τ(Al₂₀Ti₂Ce)三元化合物，其晶体结构需进一步研究确认。

773 K等温截面与不变反应
退火合金分析揭示了6个三相平衡区，提出8类三元不变反应机制，包括1个I型（共晶型）、6个II型（转熔型）和1个III型反应。其中ε(ht)-TiAl₃（高温相）与ε(rt)-TiAl₃（室温相）的转变行为为理解相变动力学提供新线索。

这项研究填补了Al-Ce-Ti体系富铝区相平衡数据的空白，为开发含Ti/Ce的高性能铝合金奠定理论基础。所发现的τ相及多元不变反应机制，为后续热力学计算（CALPHAD）提供关键实验验证。更深远的意义在于，该研究建立的实验方法学可推广至其他铝基三元体系研究，加速新型合金的研发周期。正如作者所言，未来应重点探究微观组织与力学性能的构效关系，并拓展至实际服役环境下的性能评估，这将推动铝合金在极端环境应用中的技术突破。