Co-Sn基三元合金定向凝固中界面各向异性调控与组织形成机理

The initiative control of orientation and morphology in solidification microstructure has been considered as a crucial tool to improve the high temperature mechanical behavior and forming performance in Co-based alloy. This project focuses on the component modulating solidification in Co-Sn based ternary alloy, which is proposed to solve problems as: microscopic characterization of primary dendrite and seaweed growth dynamics; quantitative description of interface anisotropy; micro-mechanism of structural formation and oriented modulation in “eutectic seaweeds”. In the project, the directional solidification experiment combined with the multi-phase and multi-component quantitative phase-field simulation is employed as the main method. The main contents of the project include three aspects: 1. Studies of orientation modulation and morphological transition in primary Co dendrites and Co2Sn3 seaweeds, to realize the internal relation between crystal structure and component concentration in two phases. 2. Studies of quantitative characteristics in interface anisotropy and interface evolution dynamics, to interpret the micro-connotation in the stability law of crystal growth. 3. Studies of structural formation and interfacial evolution in eutectic structures, to reveal the critical criterion, internal features, and microscopic mechanism in related to the eutectic morphology transition. It provides scientific and technical supports for the perfection of crystal growth theory with the connotation of interface anisotropy, and the development of oriented and morphological control technologies for eutectic microstructures of new Co-base materials.

Co基合金中，凝固组织取向与形态的主动控制是提升材料体系高温力学与加工性能的重要手段。本项目针对组元调控Co-Sn基共晶合金中初生枝晶与海藻晶生长动力学的微观表征，界面能各向异性的定量描述，以及海藻状共晶组织形成与形态转变的微观机理等关键科学问题，拟以定向凝固实验和多元多相定量相场模拟为主要方法，深入研究三元Co-Sn基合金定向凝固过程中，初生Co枝晶和Co2Sn3海藻晶的取向调控与形态转变特征，明确两相晶格结构与组元成分的内在联系；确定界面能各向异性与界面演化动力学的定量特征，诠释晶体生长尖端稳定性准则的微观内涵；阐明共晶组织形成与界面演化规律，揭示共晶形态转变的临界判据、内在特征及其微观动力学机理。本项目的研究有望进一步丰富以界面各向异性调控为内涵的晶体生长理论，同时也为发展新型Co基合金材料微观组织取向与形态的控制工艺提供科学基础与技术支持。

Co-Sn基合金的凝固过程中，微观组织受组元与界面能各向异性的影响，在界面形貌、 择优取向与生长形态等方面表现出独特的转变特征。因此，研究Co-Sn合金中凝固组织形成的动态过程与形态转变机理，对于指导新型高温合金的成分设计具有重要的科学价值。本课题通过多元多相场模拟与定向凝固实验的结合，重点研究Co-Sn基合金枝状与海藻状组织的形成与演化过程，旨在明确海藻型组织的形成特征与机理，揭示枝状组织-海藻状组织转变的动力学机制。项目负责人已发表SCI索引论文7篇，授权国家发明专利1项，并获得国家一级学会的科研奖励1项，研究小组其他成员发表SCI论文2篇。本项目已开展的主要工作如下：.1. 分析了fcc和hcp晶体在三维条件下界面能各向异性的分布特征，探明了取向偏角对枝晶生长形态选择、枝晶-海藻晶转变以及尖端劈裂特征等的定量作用规律，揭示了不同合金体系界面能各向异性的定量描述；.2. 研究了凝固条件对初生Co和Co3Sn2两相的枝晶形貌、一次间距、生长方向选择等的影响规律，拓展了DGP准则在Co-Sn合金体系中的表达形式，揭示了两相在不同的凝固条件下晶粒竞争作用机制及其调控晶粒取向选择的内在机理；.3. 开展了Co3Sn2相枝晶-海藻晶转变规律以及海藻晶形成机理研究，明确了海藻晶生长的临界凝固区间，阐明了海藻晶界面形貌随时间演化的近周期特性，建立了海藻晶特征间距、分型维度等与凝固条件的本征关系；.4. 通过异质形核随机模型、复杂三维各向异性和巨势函数的耦合，拓展多元多相场模型，研究了不同成分与形核条件下凝固组织的晶粒取向竞争机制与微观偏析特征，探究了共晶组织的演化动力学特征，揭示了海藻型共晶形成的内在机理，明确了海藻型共晶形成及形态转变的临界条件。