利用实时纳米级成像揭示共晶凝固的基本原理

在共晶凝固过程中，两种或多种固体的混合物会自组装，形成从有序层到复杂迷宫状图案的复合微结构，这些微结构是决定拉伸强度或延展性等性能的基础。

到目前为止，研究人员还没有了解什么条件驱动共晶形成某些模式，这对于设计可重复的下一代共晶复合材料至关重要。

根据密歇根大学研究人员最近在 Acta Materialia 上发表的一项研究，通过以纳米分辨率捕捉铝镍共晶合金 (Al-Al 3 Ni) 的实时凝固过程，可以发现凝固速度的增加会导致微观结构从不规则、多面变为规则、圆形。

利用对共晶形成的新认识将有助于调整涡轮机或反应堆高温部件中使用的材料类别的微观结构。

“我一直对大自然的图案着迷——比如雪花，没有两片是完全相同的。

密歇根大学材料科学与工程和化学工程副教授，该研究的高级作者阿什温·沙哈尼 (Ashwin Shahani) 表示：“这些看似简单的过程如何产生无限丰富、复杂和独特的结构，这种迷恋促使我探索其背后的基本原理。”

“在材料科学中，同样的奇迹也存在：条件的微小变化如何导致微观结构的巨大差异?”

为了更好地了解共晶微结构的形成过程，研究团队在同步加速器光束线上设计了一种新型原位炉，用于定向凝固——一种从液相到固相的晶体生长定向于特定方向的技术。该设备可以精确控制凝固加工空间，从而能够详细研究共晶凝固过程中的图案形成。

为了将纳米级观测结果与微观现象联系起来，研究人员结合了两种可视化技术。光学显微镜捕捉了大空间和时间尺度上的凝固过程，而同步加速器透射 X 射线显微镜则提供了纳米级的洞察力。后者是在布鲁克海文国家实验室的国家同步加速器光源 II 的全场 X 射线成像光束线 18-ID 上进行的。

借助这种方法，他们直接观察了不同条件下凝固过程中液态、铝 (Al) 和镍铝化物 (Al 3 Ni) 晶体之间的相互作用。Al 3 Ni 相对于 Al的生长速度(称为耦合度)决定了留下的固体微结构的形状。

例如，在较低凝固速度下，Al 3 Ni的尖端生长速度快于 Al，导致不规则的多面生长。在较高凝固速度下，Al 3 Ni 和 Al 以相同速度生长，导致圆形、规则的生长。

在铸造中，凝固速度取决于几个因素，包括熔体的热导率和热量提取率。

“我们首创的实验和实时观察有助于解释含有坚硬金属间相的共晶凝固产生的各种图案。这些见解对于指导和验证材料合成模拟至关重要，”密歇根大学材料科学与工程博士研究生 Paul Chao 说道，他于 2022 年在同步加速器光束线上担任驻留研究员一整年，也是这项研究的第一作者。

“我们的实验是密歇根大学优秀指导、与布鲁克海文国家实验室的合作以及国际合作对于解决基本科学谜题的前沿研究至关重要的一个例子。”

这一发现与包括金属、半金属和有机在内的各种共晶系统具有广泛的相关性。

沙哈尼说：“操纵这些模式不仅仅是一种技术追求，它是一种揭示基本原理并以有意义的方式应用它们的方法，从提高材料强度到开拓材料设计的新方法。”