導讀：鎳基高溫合金因其優異的高溫強度與抗氧化性能，在航空航天與核能等嚴苛環境中廣泛應用。然而作為鎳基合金中重要的強化相，盡管γ′相的長大與粗化機制已被深入研究，其初始形核機制仍舊模糊不清，尤其是在元素均勻分布的增材制造態合金中，傳統的經典或非經典成核理論難以完全解釋其早期形成行為。為此，本研究以商業合金GH4099為對象，系統揭示了一種由Al-Al、Cr-Cr偏好結合驅動的“類調幅分解”機制，這一機制不僅引發了元素的上坡擴散行為，更在無明顯結構演化的前提下，為γ′相的有序化奠定了基礎。該研究成果不僅填補了鎳基合金初期γ′相析出機制的空白，也為先進合金的顯微結構設計提供了新的理論支撐。

鎳基高溫合金因其優異的力學性能、抗腐蝕與抗氧化能力，在航空發動機、核反應堆及現代燃氣輪機等極端服役環境中被廣泛應用。其中，γ′相作為主要的強化相，其形貌、尺寸與分布對合金的高溫性能起著決定性作用。目前學界關于γ′相的初始形成機制尚存較多爭議，主要集中于兩種理論模型：一是調幅分解機制，強調成分起伏驅動的連續相變；二是化學有序機制，強調由原子有序化引起的新相生成。然而，在多元復雜合金體系中，這兩者之間是否互相獨立、是否存在先后順序或協同關系，仍缺乏清晰認知。

研究選取了選區激光熔化（SLM）工藝制備的GH4099合金，采用溶解熱處理（1140°C×2 h）獲得均勻組織，再進行800°C不同時間段（6分鐘、60分鐘、60小時）時效處理，以捕捉γ′相最早期的演化過程。實驗發現，在6分鐘短時時效樣品中，雖然尚未形成典型的L1?結構，但HAADF-STEM圖像和元素能譜（EDS）表明Al和Ti在納米尺度上已開始發生聚集，而Cr主要分布在“通道”區域，形成明顯的元素分區結構。而在60分鐘時效樣品中，不僅觀察到Al-Ti聚集區尺寸增大，且在對應區域的衍射圖中出現γ′相特有的超晶格衍射斑點，顯示有序化過程已開始發生。至60小時后，有序結構進一步發育，界面更加銳化，γ′相顯著長大。

為進一步揭示這種“先聚集、后有序”的形成機制，天津大學郭乾應等人構建了Ni-Cr-Al三元模型合金體系，并在50 K溫度下開展MC/MD模擬。初始狀態下合金呈均勻固溶態，無明顯原子團聚；而經歷160萬次MC遷移后，體系中出現明顯Al富集區，其空間尺度與實驗中所觀測的Al-Ti聚集體高度吻合。徑向分布函數（RDF）分析進一步揭示，Al-Al和Ti-Ti原子之間存在較強的偏好性結合趨勢，而Ni-Al、Cr-Al等鍵合則相對均勻。這一結果驗證了Al、Ti原子在無晶體結構變化的情況下即傾向形成聚集，符合“類調幅分解”的成分起伏模型。

熱力學計算結果進一步支持上述演化路徑：在初始溶解態（Al含量5 at.%）下，γ相比γ′相的自由能更低，直接生成γ′相需要克服熱力學能壘；但隨著Al聚集體形成，其局部Al濃度升高，至7.2 at.%（60min時效）時，γ′相局部自由能低于γ相，自發有序化過程得以發生，并在Al進一步富集（11.5 at.%）后顯著加速相變。通過這種方法，天津大學材料科學與工程學院郭乾應/劉永長教授團隊提出了γ′相形成初期“元素聚集 → 上坡擴散 → 有序化”的緩慢連續機制，打破了以往“調幅分解與有序化互斥”的傳統認知，表明兩者實為協同驅動過程。

該研究從實驗觀察和模擬計算雙重角度指出：γ′相的初始形核并非源自經典“下坡擴散”或“異構成核”路徑，而是通過Al–Al、Cr-Cr偏好結合誘導的微尺度上坡擴散過程降低局部自由能、驅動有序化轉變。這一全新的認識打破了傳統析出強化理論的框架，為后續鎳基合金在增材制造、快速凝固等非平衡加工路徑中的組織設計與熱處理工藝優化提供了堅實的理論支撐。相關研究成果以“Initial γ′ phase formation mechanism in a GH4099 precipitation strengthened nickel-based superalloy”為題，發表在《Scripta Materialia》期刊上。

鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646225001654

圖1 HADDF-STEM圖像, FFT, EDS面分布圖: (a-e)時效6 min合金; (f-j)時效60 min合金 

圖2 (a-c) MC/MD模擬的Al-Cr分布圖; (d-e) RDF曲線

圖3 GH4099 合金在800 °C下γ'和γ相的吉布斯自由能與 Al 含量的關系曲線以及 γ' 相形成過程的相關示意圖

該研究的最終結論是，γ′相的形成過程并非由某一單一機制主導，而是由元素偏好結合驅動的類條幅分解行為以及有序化演化兩者協同推進。化學異質性的產生并不是γ′相形成的副產品，而是與有序化進程互相促進。該機制不僅揭示了Ni基合金中γ′相早期行為的物理本質，更為優化激光熔化等快冷制造工藝下的析出行為提供了理論基礎。