瞬态错配、弹性和晶界对Inconel 718多相析出的耦合效应

《Materialia》：Coupled effects of transient misfit, elasticity, and grain boundaries on multiphase precipitation in Inconel 718

　　

摘要 本文开发了一种定量相场框架，通过将多组分扩散、弹性相互作用和随时间变化的相变应变耦合起来，研究Inconel 718中的多相析出行为。与假设错配常数不变的传统方法不同，本模型纳入了老化过程中实验观察到的错配演化。结果表明，瞬态错配通过延迟各向异性生长显著改变了早期阶段γ″的形态，而在较长时间内趋于收敛于类似的平衡形状。晶界被发现充当Nb的局域沉析位，驱动γ″与δ之间由扩散介导的相竞争，导致γ″贫化区和δ成核延迟。在施加应力条件下，变体选择由演化中的错配与外部载荷之间的相互作用支配，表明这是一个随时间变化的选择过程，而非瞬时的弹性响应。这些发现表明，多组分合金中的析出路径由弹性和化学驱动力耦合演化所控制，为Ni基高温合金的微观组织演化提供了新的见解。

引言 多组分合金系统因其可调性质和多样化的相变路径，在各种先进工程应用中至关重要。微观组织的形成在决定机械性能、耐久性和可靠性方面起着核心作用，因此是实验和计算研究的关键目标。由于微观组织会根据特定的加工条件发生演变，理解加工路径与微观组织模式之间的联系对于材料设计是根本性的。多组分和多相的存在导致了复杂的相图、多相平衡以及多种固态和凝固转变。

相场建模已成为预测多组分和多相合金系统中微观组织演化的广泛使用框架。通过引入连续序参数来描述扩散界面，该方法能够在无需显式界面追踪的情况下模拟复杂的形态演化[[1], [2], [3], [4]]。在过去的几十年中，相场公式已被扩展到纳入多组分热力学、扩散和弹性相互作用，使得能够对工程合金中的凝固、析出和相变进行真实模拟[[3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11]]。这些方法已成功应用于一系列合金系统中的共晶和包晶生长、枝晶演化和相竞争等现象[4,[6], [7], [8], [9], [10]]。

在固态转变方面，相场模型已被进一步发展以捕捉析出物形态、变体相互作用和粗化行为，包括弹性效应和反相畴界能的作用[[12], [13], [14]]。该框架内还探索了与晶界相关的现象，如预熔化和界面相变[15]。这些进展表明，相场方法有能力在统一公式中处理耦合的热力学、动力学和弹性效应[16,17]。

尽管相场模型在捕捉多组分合金中的析出行为方面取得了成功，但大多数现有框架假设相变应变恒定，忽略了老化过程中实验观察到的点阵错配演化[18,19]。在Inconel 718等Ni基高温合金中，与γ″析出物相关的点阵错配会因成分重分布和结构弛豫而随时间持续演化。这种瞬态错配直接影响弹性相互作用，但其在控制析出物形态、变体选择和粗化路径方面的作用仍未得到充分理解。因此，当前模型可能无法准确捕捉早期微观组织演化或各向同性与各向异性生长模式之间的转变。

此外，工程合金中的析出还受到晶界和外部载荷条件等空间不均匀性的强烈影响。已知晶界在Inconel 718中充当δ相析出的优先位点，通常伴随因局域溶质重分布而形成的γ″贫化区。类似地，施加应力可通过弹性能量最小化诱导各向异性析出物中的变体选择。然而，这些效应通常被孤立研究，其与演化中的相变应变和多组分扩散的耦合尚未在统一的建模框架中得到系统解决。特别是，随时间变化的错配、扩散驱动的相竞争和应力辅助析出之间的相互作用仍不清楚。

在本工作中，我们开发了一种定量相场框架，明确地将随时间变化的各向异性相变应变与多组分扩散和弹性相互作用相结合，以研究Inconel 718中的多相析出行为。该模型捕捉了γ′、γ″和δ相在无应力、应力老化和晶界条件下的耦合演化。通过直接比较恒定错配和随时间变化的错配公式，我们揭示了瞬态弹性驱动力如何控制早期形态和粗化路径。此外，该框架阐明了晶界作为溶质局域沉析位驱动γ″与δ之间相竞争的作用，并证明应力辅助的变体选择本质上具有时间依赖性，因为错配应变在不断演化。这些结果为弹性和化学驱动力如何控制多组分Ni基高温合金中析出路径提供了机理性理解。

实验 采用常规加工的Inconel 718合金进行微观组织表征，其化学成分列于表1。材料首先进行标准固溶热处理以溶解已有析出物并均化微观组织。固溶处理后，在790 °C进行等温老化，老化时间各不相同，以考察热处理过程中的析出物演化。

微观组织表征用于评估

控制变量 本研究采用适用于多组分多相合金相转变建模的相场公式。该模型通过两组主要场变量描述微观组织演化：非守恒序参数和守恒成分场。每个相??由非守恒序参数φ??(x,t)表征，其中??=1,2,…,Np，Np为系统中考虑的总相数。这些序参数用于区分不同的相。

模型参数 以Inconel 718作为模型合金。本研究开发定量相场模型，模拟多组分系统中γ′、γ″和δ的共析出。界面能由σ=√(κW/3√2)给出。根据Ardelf等人[26]的研究，γ′的界面能相对较小。表1汇总了相场参数。化学迁移率由M=DVm?2f/?x2给出，其中D为互扩散系数，Vm为假设的恒定摩尔体积。一个实验

恒定错配应变和随时间变化错配应变下的析出物演化 为研究错配演化对γ′和γ″形态的影响，采用了两种错配应变规定方案。第一种方案在整个模拟中施加恒定错配应变，对应于老化开始时瞬时施加的相变应变。第二种方案引入随时间变化的错配函数，以复制老化过程中实验观察到的点阵间距演化，其中γ″ c轴错配逐渐增大并趋于饱和。

随时间变化的错配应变对γ″形态的影响 恒定错配模拟与随时间变化错配模拟之间γ″形态的差异反映了老化过程中弹性能与界面能之间不断变化的竞争。在恒定错配情况下，从析出开始就施加了完整的相变应变，产生强烈的弹性驱动力，促进立即的各向异性生长，并沿弹性有利方向〈100〉早期形成透镜状γ″析出物。相比之下，当错配

结论 本文开发了一种纳入弹性相互作用、各向异性相变应变和随时间变化的错配演化的定量相场模型，用于研究Inconel 718在无应力、应力老化和晶界效应条件下的析出行为。主要结论如下：

1. 随时间变化的错配应变显著影响γ″析出物的早期形态。恒定错配应变促进立即的各向异性生长，而逐渐

作者贡献声明 Emmanuel Adu-Gyamfi：写作——审阅与编辑，写作——初稿，可视化，方法论，形式分析，数据管理，概念构思。Jie Song：可视化，方法论，形式分析，数据管理。Christian Mathew：写作——审阅与编辑，方法论，概念构思。Yao Fu：写作——审阅与编辑，监督，资源，方法论，经费获取，概念构思。

Emmanuel Adu-Gyamfi | Jie Song | Christian Mathew | Yao Fu 美国弗吉尼亚理工大学材料科学与工程学院， Blacksburg, VA 24061, USA