论文标题：Directional Solidification of a Refractory Complex Concentrated Alloy (RCCA) Using Optical Floating Zone (OFZ) Solidification Processing: Implications for Alloy Design and Development

论文链接：https://www.mdpi.com/2674-063X/4/4/29

期刊名：Alloys

期刊链接：https://www.mdpi.com/journal/alloys

一些用于超高温结构应用的铸造金属合金与镍基高温合金相比，具有更优异的力学性能。然而，针对此类合金定向凝固（DS）的研究却十分有限。来自谢菲尔德大学的Nik Tankov，Claire Utton 和Panos Tsakiropoulos教授，采用光学浮区（OFZ）凝固工艺定向生长了名义成分为3.5Al–4Crc6Ge–1Hf–5Mo–36Nb–22Si–1.5Sn–20Ti–1W（原子百分比）的RCCA/RM(Nb)IC棒材，生长速率R从1.2 cm/h逐步增加到6 cm/h，最终达到15 cm/h。研究了元素宏观偏析如何影响棒材不同部位的微观结构，揭示了加工工艺、参数和元素之间的协同作用和相互关联。

研究过程与结果

作者选用名义成分为3.5Al-4Cr-6Ge-1Hf-5Mo-36Nb-22Si-1.5Sn-20Ti-1W的RCCA/RM(Nb)IC合金，采用光学浮区定向凝固技术进行生长实验。实验中，生长速率依次从1.2 cm/h增加到6 cm/h，再提高到15 cm/h，整个过程持续2.5小时。

OFZ凝固工艺图

研究发现，不同生长速率下合金棒的微观结构呈现出显著差异：

• 低速率区（1.2 cm/h）：样品棒的起始端出现了氧污染，合金中的Cr元素优先与氧结合形成氧化铪。在这一区域，微观结构复杂，观察到了A15-Nb₃X、NbCr₂ Laves相，Ti固溶体等多种中间相。

• 中高速率区（6 cm/h和15 cm/h）：随着速率提高，氧污染消失，微观结构显著简化。在所有速率下，样品中心区域均由Nb固溶体和Nb₅Si₃硅化物两相构成。值得注意的是，在最高15 cm/h的速率下，硅化物呈现出强烈的刻面特征，表明其生长方式发生了根本性改变。

研究人员还发现，由于宏观偏析的存在，从样品棒的边缘到中心，以及从低速区到高速区，各元素的浓度分布均呈现出梯度变化。这种成分的连续变化，直接导致了与材料性能密切相关的VEC、Δχ、δ等电子和几何参数也呈现出相应的梯度分布。

研究意义

作者首次证明了利用光学浮区定向凝固技术（OFZ），可以定向生长具有不同微观结构的金属超高温材料（UHTM），其径向和纵向生长方向各异，原因在于：(i) 在特定生长速率下，凝固棒中宏观偏析导致溶质分布发生变化；(ii) 加工工艺、参数VEC、Δχ和δ、合金元素以及相之间的协同作用和相互作用。理论上，可以定向生长出基于具有“功能梯度”成分、微观结构和性能的金属UHTM的部件。

Alloys 期刊介绍

Alloys (ISSN 2674-063X) 是一个国际性、经同行评审的开放获取期刊。期刊涵盖了所有合金的制备、表征和应用。主题领域包括但不限于：铁合金，包括所有钢种；轻质合金；高熵合金、块状金属玻璃和金属间化合物；特殊合金，例如为耐腐蚀、高温性能而设计的合金；储氢和磁性；热机械加工、铸造、增材制造等合金加工技术；合金的理论和计算分析；合金在所有长度尺度上的表征；合金特性和性能，例如强度、疲劳、腐蚀、磨损和成型性等。期刊已经被Scopus, CNKI等数据库收录。期刊2024 CiteScore为3.2

期刊主编：

Prof. Dr. Nikki Stanford, University of South Australia, Australia

投稿优势:

- 更高文章曝光度

Alloys目前已经被Scopus、CNKI等数据库收录。期刊2024年最新CiteScore为3.2，在Metals and Alloys, Engineering (miscellaneous) 和 Materials Science (miscellaneous) 三个领域均排在Q2分区。

- 更快发表速度

与传统的订阅和印刷期刊相比，Alloys通常能更快地在线发表被接收的文章。

- 开放获取

读者可以免费阅读期刊文章，文章版权由作者持有。

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