通过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自组装，形成复合微观结构，从有序的层到复杂的迷宫状图案，这些图案构成了抗拉强度或延展性等性能的基础

到目前为止，研究人员还不清楚是什么条件促使共晶形成某些图案，这对于设计可重复的下一代共晶复合材料至关重要

密歇根大学研究人员最近在《材料学报》上发表的一项研究表明，以纳米分辨率捕获铝镍共晶合金（Al-Al3Ni）的实时凝固表明，提高凝固速度会使微观结构从不规则和刻面转变为规则和圆形

利用对共晶形成的这一新认识，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

密歇根大学材料科学与工程与化学工程副教授、该研究的资深作者Ashwin Shahani说：“我一直被自然界中的模式所吸引，就像雪花一样，没有两个是完全相同的。”？“

在提高定向凝固速度时Al3Ni晶体分裂的3D重建。来源：Shahani实验室。

为了更好地了解共晶微观结构是如何形成的，研究小组在同步辐射束线上设计了一种新的定向凝固原位炉，该技术使晶体从液相生长到固相的方向是特定的。该设备允许精确控制凝固处理空间，从而可以详细研究共晶凝固过程中的图案形成。

为将纳米级观察与微观尺度现象相关联，研究人员结合了两种可视化技术。光学显微镜在大空间和时间尺度上捕获凝固，而同步辐射透射X射线显微镜提供了纳米级的见解。后者是在布鲁克的全场X射线成像束线18-ID海文国家实验室的国家同步辐射光源II

通过这种方法，他们直接观察了不同条件下凝固过程中液体、铝（Al）和镍铝化物（Al3Ni）晶体之间的相互作用。Al3Ni与Al的生长速率（称为耦合度）决定了留下的固体微观结构的形状

例如，当以较低的速度固化时，Al3Ni的尖端会先于Al生长，导致不规则的刻面生长。在高凝固速度下，Al3Ni和Al以相同的速率生长，导致圆形、规则的生长

这段视频显示了两种共晶固体（深色和浅色）从下到上生长，消耗液体（中等对比度）。视频播放速度接近采集速度的2倍。图片来源：Shahani实验室

在铸件中，凝固速度取决于几个因素，包括熔体的导热系数和热量提取率

密歇根大学材料科学与工程博士研究生Paul Chao表示：“我们的首次此类实验和实时观测有助于解释含有硬质金属间相的共晶凝固产生的各种模式。这些见解对于为材料合成的模拟提供信息和验证至关重要。”Paul Chao在2022年作为同步加速器光束线的常驻研究员度过了一整年，也是该研究的第一作者

“我们的实验是一个例子，说明密歇根大学的优秀导师、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团的前沿研究至关重要。”

这一发现与包括金属、半金属和有机共晶系统在内的各种共晶系统具有广泛的相关性

Shahani说：“操纵这些模式不仅仅是一种技术追求，它是一种解开基本原理并以有意义的方式应用它们的方法，从提高材料的强度到开创材料设计的新方法。” More information: Paul Chao et al, From irregular to regular eutectic growth in the Al-Al₃Ni system: In situ observations during directional solidification, Acta Materialia (2024). DOI: 10.1016/j.actamat.2024.120314. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2408.14346

Journal information: arXiv , Acta Materialia