枝晶取向转变(DOT)与各向异性界面能的关系

枝晶取向转变(DOT)发生在许多合金中，如Al-Zn、Al-Cu、Al-Ge、Al-Sm、Al-Zn-Cr、Cu-Ni、Mg-Al等。对于Al-Zn合金，当Zn的质量分数大于10%时，自然时效倾向大，无需热处理即可获得较高的强度。Al-Zn合金固-液界面的不稳定性导致在凝固过程中产生大量枝晶。各向异性枝晶形貌和微偏析对合金的耐蚀性和热稳定性有重要影响。现阶段已对Al-Zn合金的DOT进行了大量的实验和理论研究，发现Zn含量的变化将影响界面能的各向异性。尽管各向异性在固-液界面能中的作用在20世纪末已被研究讨论，但仍存在几个重要问题，即各向异性如何影响固-液界面的过渡区或枝晶取向及其与溶质浓度之间的关系尚不清晰。Al-Zn合金的DOT特性及其对各向异性和Zn含量的依赖性仍存在争议。

北京科技大学等单位的一项最新研究探讨了枝晶取向转变(DOT)与各向异性界面能的关系，以及Al-Zn合金中枝晶的特殊形态和演化过程，明确了DOT对应的界面能各向异性参数范围，并且多级分析了由液孔或液槽引起的凝固和溶质偏析。

本文选取Al-12wt.%Zn合金进行枝晶形貌和微观偏析研究。研究发现，通过调整界面能各向异性参数，界面能各向异性驱动枝晶取向转变a1和a2，可以获得沿<100>和<110>方向的典型枝晶和过渡枝晶图案。随着a1减少，枝晶形态从经典的“圣诞树”（a1=0.16-0.063)到“海藻”(a1=0.062-0.04)，然后到“蝴蝶”(a1=0.04-0.00)。枝晶取向从<100>到<110>连续变化，平滑过渡。枝晶取向转变需要较小的a2（-0.005、-0.01和-0.015）和较大的a1（0.061、0.076和0.137）。不同浓度Al-Zn合金杨氏模量各向异性（刚度）的第一性原理计算与相场模拟和实验一致。

图1 不同条件下枝晶形态模拟a1=(a) 0.16, (b) 0.12, (c) 0.09, (d) 0.08, (e) 0.075, (f) 0.06, (g) 0.03,(h) 0.01, (i) 0.0

图2 Al-Zn合金枝晶形态区域划分、过渡不稳定线和杨氏模量

图3 Al-12wt.%Zn二维和三维溶质浓度场的相场模拟

图4 不同合金的EBSD结果(a) Al-10%Zn, (b) Al-30%Zn, (c) Al-55%Zn and (d) Al-75%Zn.

图5 多尺度原理图

由界面能量各向异性引起的枝晶取向转变导致不同程度的溶质偏析。<100>处的二次臂颈缩熔合形成一次、二次液孔，其多级凝固顺序导致溶质偏析。<110>中的液槽导致了更严重的溶质偏析。液槽内的溶质扩散速率远低于枝晶尖端，导致液槽越来越深。典型的<100>枝晶没有液槽，<110>海藻或蝴蝶晶体中的液槽深度随着过饱和度的增加而增加，加剧了溶质偏析。在工业实际生产中，应选择结晶成分范围窄、结晶温度间隔短、无液相槽的铸造合金。

本文提出了从Wulff理论到各向异性界面能再到相场建模的思想，并讨论了各向异性的多种来源，分析合金浓度、杨氏模量（刚度）和界面能各向异性的相关性，本文明确了Al-Zn合金的DOT特性及其对各向异性和Zn含量的依赖关系，并对相场方法的未来应用提出了设想。

审核编辑：彭静