类型a：学术研究报告

作者及机构
本研究由南京工业大学先进材料技术研究院（Tech Institute for Advanced Materials & College of Materials Science and Engineering, Nanjing Tech University）的Ling Ding、Yulei Gu、Danying Zhou、Fuwen Chen、Lian Zhou和Hui Chang（通讯作者），以及西北工业大学凝固技术国家重点实验室（State Key Laboratory of Solidification Processing, Northwestern Polytechnical University）的Rui Hu共同完成。研究成果于2020年7月22日发表在期刊《Metals》（2020, 10, 989; doi:10.3390/met10080989）上。

学术背景
钛合金因其高比强度、耐腐蚀等特性，成为航空航天领域的重要结构材料。铁（Fe）作为钛合金中常见的β共析合金元素，对钛合金的凝固行为和力学性能有显著影响。然而，Fe在钛合金凝固过程中对晶粒形貌的作用机制尚不明确，传统实验方法难以直接观察凝固过程中的晶粒形成与生长。因此，本研究通过相场模拟（Phase-field simulation）与实验相结合的方法，系统研究了Fe含量（0.1–0.9 wt%）对Ti–6Al–4V–xFe合金铸态显微组织的影响，旨在揭示Fe元素偏析对晶粒形貌的调控机制。

研究流程
1. 相场模型构建与模拟
- 模型假设：假设Al、V、Fe在固相和液相中的扩散系数恒定，温度梯度和冷却速率不变。
- 软件与参数：使用MICRESS 6.3软件建立枝晶生长和晶粒生长模型。枝晶模型网格尺寸为600×600，分辨率0.1 µm；晶粒生长模型网格尺寸为1000×1000，分辨率5 µm。界面能、扩散系数等热物理参数来源于Thermo-Calc 2015b数据库和文献数据（如Chen等提出的Ti–Al–Fe体系β相扩散动力学数据）。
- 模拟条件：计算温度1950 K，各向异性强度0.05，对称边界条件。

1. 实验验证

   • 样品制备：通过悬浮熔炼（levitation melting）制备Ti–6Al–4V–xFe（x=0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9）合金半球形铸锭（直径90 mm，质量约800 g），炉冷后切割成15×15 mm试样。
     
   • 显微组织分析：采用光学显微镜（OM）和电子探针显微分析（EPMA）观察晶粒形貌及元素分布。EPMA线扫描和面扫描用于定量分析Fe、Al、V在晶界处的偏析行为。
     

2. 数据分析

   • 模拟结果：提取晶粒尺寸、界面迁移速率、溶质分布等数据，拟合Fe扩散距离与含量的关系（δn = 31.1C0 + 29.5）。
     
   • 实验验证：对比模拟与实验的晶粒尺寸和Fe偏析程度，修正溶质分布方程（式15）。
     

主要结果
1. 单晶生长行为：
- Fe的偏析在固液界面前沿形成局部成分过冷区，抑制界面迁移，促进枝晶生长（图2）。Fe含量从0增至0.9 wt%时，晶粒由平面生长转变为枝晶形貌，生长速率降低。
- 理论分析表明，Fe的分配系数kfe < 1导致成分过冷临界条件更易满足（式10），验证了Fe对晶粒形貌的调控作用。

1. 多晶组织演化：

   • Fe含量增加使晶粒尺寸细化（图4）。无Fe时平均晶粒半径约2.29 mm；Fe含量0.9 wt%时降至1.03 mm（图8）。
     
   • 悬浮熔炼的低温度梯度（5 K/cm）促使等轴晶形成，Fe偏析导致晶界处溶质富集，抑制晶粒合并（图5）。
     

2. 元素分布特征：

   • EPMA显示Fe在β晶界处的偏析程度（波动202%）显著高于V（91%）和Al（8%）（图13）。Fe含量增加对Al、V偏析影响较小，但加剧Fe自身偏析。
     
   • 模拟与实验的Fe偏析趋势差异（图12）表明，Fe偏析主要发生在晶粒生长或固态相变阶段。
     

结论与价值
1. 科学价值：
- 揭示了Fe偏析通过形成局部成分过冷区调控钛合金晶粒形貌的机制，为合金设计提供理论依据。
- 开发的修正溶质分布方程（式15）更准确描述非定向凝固条件下的溶质分配行为。

1. 应用价值：
   
   • 通过调控Fe含量（如0.9 wt%）可实现晶粒细化，提升Ti–6Al–4V合金的力学性能。
     
   • 相场模型与实验结合的方法可推广至其他多组元合金的凝固过程研究。
     

研究亮点
1. 方法创新：首次将相场模拟与悬浮熔炼实验结合，定量解析Fe对Ti–6Al–4V凝固组织的影响。
2. 发现创新：明确Fe偏析距离与含量的线性关系，提出成分过冷主导的晶粒细化机制。
3. 数据价值：补充了Ti–Al–Fe体系液相扩散系数数据，为后续模拟研究提供关键参数。

其他价值
研究指出Fe偏析行为在β/α相变阶段的动态变化需进一步探索，为后续固态相变研究指明方向。