導(dǎo)讀：鎳基高溫合金因其優(yōu)異的高溫強度與抗氧化性能，在航空航天與核能等嚴(yán)苛環(huán)境中廣泛應(yīng)用。然而作為鎳基合金中重要的強化相，盡管γ′相的長大與粗化機制已被深入研究，其初始形核機制仍舊模糊不清，尤其是在元素均勻分布的增材制造態(tài)合金中，傳統(tǒng)的經(jīng)典或非經(jīng)典成核理論難以完全解釋其早期形成行為。為此，本研究以商業(yè)合金GH4099為對象，系統(tǒng)揭示了一種由Al-Al、Cr-Cr偏好結(jié)合驅(qū)動的“類調(diào)幅分解”機制，這一機制不僅引發(fā)了元素的上坡擴散行為，更在無明顯結(jié)構(gòu)演化的前提下，為γ′相的有序化奠定了基礎(chǔ)。該研究成果不僅填補了鎳基合金初期γ′相析出機制的空白，也為先進(jìn)合金的顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了新的理論支撐。

鎳基高溫合金因其優(yōu)異的力學(xué)性能、抗腐蝕與抗氧化能力，在航空發(fā)動機、核反應(yīng)堆及現(xiàn)代燃?xì)廨啓C等極端服役環(huán)境中被廣泛應(yīng)用。其中，γ′相作為主要的強化相，其形貌、尺寸與分布對合金的高溫性能起著決定性作用。目前學(xué)界關(guān)于γ′相的初始形成機制尚存較多爭議，主要集中于兩種理論模型：一是調(diào)幅分解機制，強調(diào)成分起伏驅(qū)動的連續(xù)相變；二是化學(xué)有序機制，強調(diào)由原子有序化引起的新相生成。然而，在多元復(fù)雜合金體系中，這兩者之間是否互相獨立、是否存在先后順序或協(xié)同關(guān)系，仍缺乏清晰認(rèn)知。

研究選取了選區(qū)激光熔化（SLM）工藝制備的GH4099合金，采用溶解熱處理（1140°C×2 h）獲得均勻組織，再進(jìn)行800°C不同時間段（6分鐘、60分鐘、60小時）時效處理，以捕捉γ′相最早期的演化過程。實驗發(fā)現(xiàn)，在6分鐘短時時效樣品中，雖然尚未形成典型的L1?結(jié)構(gòu)，但HAADF-STEM圖像和元素能譜（EDS）表明Al和Ti在納米尺度上已開始發(fā)生聚集，而Cr主要分布在“通道”區(qū)域，形成明顯的元素分區(qū)結(jié)構(gòu)。而在60分鐘時效樣品中，不僅觀察到Al-Ti聚集區(qū)尺寸增大，且在對應(yīng)區(qū)域的衍射圖中出現(xiàn)γ′相特有的超晶格衍射斑點，顯示有序化過程已開始發(fā)生。至60小時后，有序結(jié)構(gòu)進(jìn)一步發(fā)育，界面更加銳化，γ′相顯著長大。

為進(jìn)一步揭示這種“先聚集、后有序”的形成機制，天津大學(xué)郭乾應(yīng)等人構(gòu)建了Ni-Cr-Al三元模型合金體系，并在50 K溫度下開展MC/MD模擬。初始狀態(tài)下合金呈均勻固溶態(tài)，無明顯原子團(tuán)聚；而經(jīng)歷160萬次MC遷移后，體系中出現(xiàn)明顯Al富集區(qū)，其空間尺度與實驗中所觀測的Al-Ti聚集體高度吻合。徑向分布函數(shù)（RDF）分析進(jìn)一步揭示，Al-Al和Ti-Ti原子之間存在較強的偏好性結(jié)合趨勢，而Ni-Al、Cr-Al等鍵合則相對均勻。這一結(jié)果驗證了Al、Ti原子在無晶體結(jié)構(gòu)變化的情況下即傾向形成聚集，符合“類調(diào)幅分解”的成分起伏模型。

熱力學(xué)計算結(jié)果進(jìn)一步支持上述演化路徑：在初始溶解態(tài)（Al含量5 at.%）下，γ相比γ′相的自由能更低，直接生成γ′相需要克服熱力學(xué)能壘；但隨著Al聚集體形成，其局部Al濃度升高，至7.2 at.%（60min時效）時，γ′相局部自由能低于γ相，自發(fā)有序化過程得以發(fā)生，并在Al進(jìn)一步富集（11.5 at.%）后顯著加速相變。通過這種方法，天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院郭乾應(yīng)/劉永長教授團(tuán)隊提出了γ′相形成初期“元素聚集 → 上坡擴散 → 有序化”的緩慢連續(xù)機制，打破了以往“調(diào)幅分解與有序化互斥”的傳統(tǒng)認(rèn)知，表明兩者實為協(xié)同驅(qū)動過程。

該研究從實驗觀察和模擬計算雙重角度指出：γ′相的初始形核并非源自經(jīng)典“下坡擴散”或“異構(gòu)成核”路徑，而是通過Al–Al、Cr-Cr偏好結(jié)合誘導(dǎo)的微尺度上坡擴散過程降低局部自由能、驅(qū)動有序化轉(zhuǎn)變。這一全新的認(rèn)識打破了傳統(tǒng)析出強化理論的框架，為后續(xù)鎳基合金在增材制造、快速凝固等非平衡加工路徑中的組織設(shè)計與熱處理工藝優(yōu)化提供了堅實的理論支撐。相關(guān)研究成果以“Initial γ′ phase formation mechanism in a GH4099 precipitation strengthened nickel-based superalloy”為題，發(fā)表在《Scripta Materialia》期刊上。

鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646225001654

圖1 HADDF-STEM圖像, FFT, EDS面分布圖: (a-e)時效6 min合金; (f-j)時效60 min合金 

圖2 (a-c) MC/MD模擬的Al-Cr分布圖; (d-e) RDF曲線

圖3 GH4099 合金在800 °C下γ'和γ相的吉布斯自由能與 Al 含量的關(guān)系曲線以及 γ' 相形成過程的相關(guān)示意圖

該研究的最終結(jié)論是，γ′相的形成過程并非由某一單一機制主導(dǎo)，而是由元素偏好結(jié)合驅(qū)動的類條幅分解行為以及有序化演化兩者協(xié)同推進(jìn)。化學(xué)異質(zhì)性的產(chǎn)生并不是γ′相形成的副產(chǎn)品，而是與有序化進(jìn)程互相促進(jìn)。該機制不僅揭示了Ni基合金中γ′相早期行為的物理本質(zhì)，更為優(yōu)化激光熔化等快冷制造工藝下的析出行為提供了理論基礎(chǔ)。