Acta Materialia：难混溶铍铝合金凝固过程中溶质传输与微观组织演化机制

发布时间：2026-05-07来源：上海交通大学材料学院

近日，上海交通大学材料科学与工程学院先进材料与凝固研究所李建国、夏明许、李军教授团队联合莱奥本矿业大学李杰华教授、西北稀有金属材料研究院宁夏有限公司及宁夏大学李普博教授在铍铝合金凝固过程中溶质输运与微观组织演化的数值模拟领域取得进展，相关研究成果以“Solute transport coupled microstructure evolution of immiscible beryllium-aluminum alloy”为题发表在Acta Materialia上。

该研究结合X射线显微断层扫描（XCT）与多物理场数值模拟方法，构建了热-流-溶质-组织全耦合模型，揭示了自然对流、溶质分布及枝晶间相互作用对难混溶铍铝合金微观结构演化的影响，为复杂难混溶合金体系的组织调控提供了理论基础与方法支撑。上海交通大学材料科学与工程学院李军教授与任能副研究员为论文共同通讯作者，博士生武文韬为论文第一作者，上海交通大学为论文第一完成单位｡

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122209

铍铝合金因其高比刚度、热稳定性和低密度等优异性能，在高性能工程领域具有重要应用前景。然而由于该体系凝固区间较宽，在凝固过程中易形成粗大的铍枝晶网络并伴随明显的溶质偏析，从而影响最终的显微组织和力学性能。此外，铝在固态铍中几乎不溶，导致固液界面处产生显著溶质富集并诱发强烈自然对流，使铍枝晶呈现复杂的三维网络结构。尽管通过合金化或提高冷却速率可以在一定程度上细化铍铝合金的微观组织，但这些方法多基于经验，合金凝固过程中枝晶生长和溶质再分布的底层机理尚缺乏深入的研究。同时现有针对HCP结构的枝晶生长方向模型难以准确描述铍枝晶的实际形态特征。因此，深入研究溶质传输行为及其对组织演化的影响机制，对于实现铍铝合金组织调控与性能优化具有重要意义。

针对上述问题，研究团队基于XCT三维表征结果，提出了适用于α-Be相的12生长方向模型，开发了一种偏心14面体捕获算法以控制HCP铍枝晶的择优生长，并建立了元胞自动机-有限体积法（CA-FVM）耦合的多物理场模型，用于统一描述熔体流动、溶质传输及微观结构演化过程。研究表明，HCP结构铍枝晶共有12个生长方向，包括{0001}面内6个〈11−20〉方向以及该面两侧各3个〈10–1X〉方向。其中{0001}面内的生长方向呈现六重对称性，而其两侧方向同相排列，使整体生长不再满足六重对称。这种独特的对称特征导致独立晶粒生长呈现不对称性，并进一步诱导熔体流动的不对称分布。同时界面溶质富集所驱动的自然对流在凝固过程中占主导作用，显著影响枝晶形貌及二次枝晶臂间距分布，抑制部分方向上的枝晶臂生长，最终形成空间分布不对称的三维网状结构。

进一步研究发现，在凝固后期，由于铍铝体系的液相线斜率在1431 K附近趋近于零，该温度区间内固相分数快速增加，引发大量晶粒合并。晶粒合并导致液相通道被压缩并强化溶质富集，进而引起局部流动增强，并对组织粗化行为产生重要影响。该工作为理解难混溶合金凝固过程中多物理场耦合作用提供了新的认识，也为铍铝合金组织调控及相关合金体系的数值模拟研究提供了重要参考。