原文出自Materials and Solidification (材料与凝固)期刊

Cite this article:

Zhang B, Liu T, Li S, et al. Preferred orientation and microstructure evolution of Al₃Ni Phase in the Al–18 at% Ni alloy during directional solidification under a high magnetic field. Materials and Solidification, 2025, https://doi.org/10.26599/MAS.2025.9580006

文章DOI：10.26599/MAS.2025.9580006

1、导读

研究了强磁场对Al-18 at.%Ni包晶合金定向凝固组织的影响。无磁场时合金形成具有择优取向的枝晶组织，而在6 T磁场下形成横向片层状结构并伴随块状共晶。0 T磁场下，当抽拉速度为5 μm/s时Al₃Ni相优先沿<010>方向取向，而100 μm/s制备的样品未显示择优取向。6 T磁场中，5 μm/s抽拉速度使凝固模式由包晶反应转变为过共晶反应，此时Al₃Ni相呈现取向特征。当抽拉速度提升至20-100 μm/s时，包晶反应仍占主导，初生Al₃Ni₂相沿特定方向取向，包晶相依附其上形成择优取向。磁场通过磁力矩、热电磁力和磁场力的耦合作用调控晶体取向与溶质传输，其作用机制显示出对抽拉速度的显著依赖性。

2、研究背景

机械变形、热处理和磁场下凝固是控制合金择优取向的常用方法。其中，磁场下凝固作为一种高效的新兴控制手段，因其显著效果受到广泛关注。由于各向异性的普遍存在，合金的择优取向对其性能具有重要影响。

包晶合金作为金属材料的重要类别，其包晶相往往依附于初生相生长，并与初生相形成特定的相位和取向关系。因此，包晶相的择优取向与初生相密切相关。尽管已有大量关于包晶合金的研究报道，但针对磁场作用下不同定向凝固拉伸速度对于包晶合金的微观组织及晶体择优取向演变研究仍较为匮乏，亟待填补这一研究空白。

3、文章亮点

强磁场对Al₃Ni相的择优取向产生了显著影响。在低抽拉速度情况下，热电磁对流效应产生的初生Al₃Ni₂和Al₃Ni 枝晶碎片在磁扭矩的驱动下形成择优取向。且定向凝固过程中磁场对合金晶体取向的影响依赖于生长速度。强磁场通过热电磁对流效应和磁力作用显著改变了Al-18 at.% Ni合金的定向凝固组织。在低拉速和磁力的作用下，固液界面前沿发生了过共晶反应而不是包晶反应。提拉速度的逐渐增加，热电磁对流效应和磁力的作用随之降低。

4、研究结果及结论

强磁场通过TEMC和磁力作用显著改变了Al-18 at.%Ni合金的定向凝固组织。在低拉速下，由于磁力的作用，固液界面前沿发生了过共晶反应而不是包晶反应。随着提拉速度的增加，TEMC和磁力的作用逐渐减弱。

强磁场显著改变了Al₃Ni相的择优取向。在低抽拉速度下，TEMC产生的初生Al₃Ni₂和Al₃Ni 枝晶碎片在磁扭矩的驱动下形成择优取向。定向凝固过程中磁场对合金晶体取向的影响依赖于生长速度。

5、作者及研究团队简介

刘铁，东北大学教授，博士生导师。兼任中国金属学会电磁冶金与强磁场材料科学分会秘书长、中国机械工程学会铸造分会理事、中国材料研究学会凝固科学与技术分会理事、《上海金属》和《铸造技术》杂志编委。长期聚焦强磁场材料科学这一国际新兴的前沿领域，形成了材料学、冶金学和电磁流体力学等学科交叉、特色鲜明的研究团队—“强磁场下材料与冶金过程”研究团队，搭建了国际领先水平的强磁场实验研究平台，支持了国内唯一材料电磁过程研究教育部重点实验室建设（任强磁场材料科学研究室主任）、推动我国强磁场材料科学研究方向引领了国际前沿。主持国家自然科学基金面上项目2项、重大项目子课题1项、重大科研仪器研制项目课题1项、叶企孙项目课题1项、青年基金1项，国家重点研发计划课题1项，工信部重大专项子课题1项，教育部基本科研业务费重点项目、国家重点实验室开放课题重点项目、其他省部级项目等20余项。参与国家自然科学基金、973计划等项目10余项。团队入选中央高校基本科研业务费“国家创新研究群体培育项目”、辽宁省教育厅“辽宁省高等学校创新团队支持计划”、辽宁省“兴辽英才计划”创新团队。在上述项目支持下，围绕强磁场环境下实验技术、强磁场条件下金属凝固理论、高性能金属功能材料制备等方面开展了较为系统的理论和实验研究。研发了多套强磁场极端环境下材料制备和物性测量装置，建立了强磁场下金属凝固理论，提出了功能材料强磁场制备技术，实现了从研究对象-实验装置-理论机制-应用技术的全过程创新。发表SCI论文150余篇，其中应《ISIJ Int.》等杂志邀请撰写特约评论文章3篇，申请发明专利17项（授权8项）。在国内外学术会议上做邀请报告15次（大会报告1次、Keynote 5次、邀请报告18次），担任学术会议分会主席7次。主编专著1部、参编专著3部（外文1部）、教材1部。获教育部自然科学一等奖1项、稀土科学技术二等奖1项、辽宁省自然科学二等奖2项。参与撰写2020年中国工程院《全球工程前沿》战略咨询报告。

《材料与凝固（英文）》（Materials and Solidification）期刊简介

《材料与凝固（英文）》由清华大学出版社出版，西北工业大学凝固技术国家重点实验室提供学术支持，实验室李金山教授担任主编，王俊杰教授担任执行主编。期刊聚焦于凝固理论和凝固技术方面的前沿研究成果，发表金属、半导体、有机、无机和聚合物材料块状或薄膜凝固理论和凝固技术的前沿研究成果，包括但不限于，凝固加工相关的铸造、焊接和增材制造，还涉及电、超声、磁、微重力等多物理场中的非平衡凝固现象。

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