本篇文档属于类型a，即单篇原创研究的学术报告。以下是对该研究的详细介绍：
本研究的作者为C. Kenel和C. Leinenbach，他们来自瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa – Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology）。该研究发表在《Journal of Alloys and Compounds》期刊上，发表日期为2015年。
本研究的主要科学领域为材料科学，特别是金属间化合物（intermetallics）的快速凝固（rapid-solidification）过程。钛铝合金（Ti-Al alloys）作为一种高性能结构金属间化合物，具有潜在的高温应用价值，尤其是在高温部件中实现轻量化和性能提升方面。然而，快速凝固过程中的微观结构形成机制尚未被充分理解，尤其是冷却速率对合金微观结构的影响。因此，本研究旨在通过实验和热力学模拟相结合的方法，系统地研究二元钛铝合金（Ti-Al alloys）在快速凝固过程中的微观结构形成及其与冷却速率的关系，为合金设计和加工提供理论支持。
实验材料制备
研究使用Ti（99.98%）和Al（99.999%）作为原材料，制备了Ti-(44-48)Al（原子百分比）的母合金。母合金通过水冷铜坩埚中的非消耗钨电极电弧熔炼法（non-consumable tungsten electrode arc melting）在氩气环境下制备，并经过多次重熔以确保均匀性。
快速凝固实验
快速凝固实验通过对母合金样品（2-250毫克）进行电弧重熔并迅速冷却来实现。冷却速率通过有限元模拟（finite element modeling）估算，样品尺寸在0.54毫米至2.57毫米之间，对应的冷却速率范围为6×10² K/s到1.5×10⁴ K/s。
微观结构分析
冷却后的样品通过光学显微镜（optical microscopy, OM）、扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）和X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）进行微观结构分析。样品的制备包括嵌入环氧树脂、抛光以及使用硅溶液进行最终处理。
热力学模拟
研究采用CALPHAD方法（CALculation of PHAse Diagrams）进行热力学模拟，计算了不同冷却速率下的相变顺序（phase selection hierarchy），并与实验结果进行对比，以解释快速凝固过程中的非平衡相变行为。
微观结构与冷却速率的关系
研究结果表明，钛铝合金的微观结构强烈依赖于铝含量和冷却速率。在铝含量低于44.5原子百分比（at.%）的合金中，微观结构主要由粗晶α/α₂相组成；而铝含量较高的合金（如Ti-48Al）则表现出细小的枝晶结构，包括层状α₂ + γ相（lamellar α₂ + γ colonies）和枝晶间γ相。
相变机制的验证
通过热力学模拟，研究验证了快速凝固过程中相变机制的预测。例如，在高冷却速率下，α → γ相变（α to γ transformation）被抑制，而观察到的主要相变为α → α₂有序化反应（α to α₂ ordering reaction）。
冷却速率的控制
研究通过有限元模拟和高速摄影技术验证了冷却速率的控制方法，证明样品的尺寸可以有效地调节冷却速率，从而实现对微观结构的精确控制。
本研究表明，快速凝固过程中钛铝合金的微观结构形成可以通过冷却速率和铝含量的精确控制来实现。研究结果为钛铝合金在增材制造（additive manufacturing, AM）等快速凝固技术中的应用提供了理论基础，尤其是在优化合金设计和加工工艺方面具有重要价值。
创新方法
本研究结合了实验、有限元模拟和热力学计算，提出了一种新的方法来研究快速凝固过程中的微观结构形成机制。
重要发现
研究发现，快速凝固过程中铝含量和冷却速率对微观结构的影响显著，尤其是在高冷却速率下观察到的非平衡相变行为。
应用前景
研究结果为钛铝合金在高温应用中的性能优化提供了理论支持，特别是为增材制造和快速凝固加工技术的发展提供了重要参考。
研究还提出了未来在增材制造中应用钛铝合金时可能遇到的问题，例如元素偏析（element segregation）和热裂（thermal cracking）现象，并提出了相应的解决方案，如提高加工温度和进行后处理热处理。
通过本研究，科研人员可以更好地理解钛铝合金在快速凝固过程中的微观结构形成机制，从而为合金设计和加工工艺的优化提供理论依据。