导读：镍基高温合金因其优异的高温强度与抗氧化性能，在航空航天与核能等严苛环境中广泛应用。然而作为镍基合金中重要的强化相，尽管γ′相的长大与粗化机制已被深入研究，其初始形核机制仍旧模糊不清，尤其是在元素均匀分布的增材制造态合金中，传统的经典或非经典成核理论难以完全解释其早期形成行为。为此，本研究以商业合金GH4099为对象，系统揭示了一种由Al-Al、Cr-Cr偏好结合驱动的“类调幅分解”机制，这一机制不仅引发了元素的上坡扩散行为，更在无明显结构演化的前提下，为γ′相的有序化奠定了基础。该研究成果不仅填补了镍基合金初期γ′相析出机制的空白，也为先进合金的显微结构设计提供了新的理论支撑。

镍基高温合金因其优异的力学性能、抗腐蚀与抗氧化能力，在航空发动机、核反应堆及现代燃气轮机等极端服役环境中被广泛应用。其中，γ′相作为主要的强化相，其形貌、尺寸与分布对合金的高温性能起着决定性作用。目前学界关于γ′相的初始形成机制尚存较多争议，主要集中于两种理论模型：一是调幅分解机制，强调成分起伏驱动的连续相变；二是化学有序机制，强调由原子有序化引起的新相生成。然而，在多元复杂合金体系中，这两者之间是否互相独立、是否存在先后顺序或协同关系，仍缺乏清晰认知。

研究选取了选区激光熔化（SLM）工艺制备的GH4099合金，采用溶解热处理（1140°C×2 h）获得均匀组织，再进行800°C不同时间段（6分钟、60分钟、60小时）时效处理，以捕捉γ′相最早期的演化过程。实验发现，在6分钟短时时效样品中，虽然尚未形成典型的L1₂结构，但HAADF-STEM图像和元素能谱（EDS）表明Al和Ti在纳米尺度上已开始发生聚集，而Cr主要分布在“通道”区域，形成明显的元素分区结构。而在60分钟时效样品中，不仅观察到Al-Ti聚集区尺寸增大，且在对应区域的衍射图中出现γ′相特有的超晶格衍射斑点，显示有序化过程已开始发生。至60小时后，有序结构进一步发育，界面更加锐化，γ′相显著长大。

为进一步揭示这种“先聚集、后有序”的形成机制，天津大学郭乾应等人构建了Ni-Cr-Al三元模型合金体系，并在50 K温度下开展MC/MD模拟。初始状态下合金呈均匀固溶态，无明显原子团聚；而经历160万次MC迁移后，体系中出现明显Al富集区，其空间尺度与实验中所观测的Al-Ti聚集体高度吻合。径向分布函数（RDF）分析进一步揭示，Al-Al和Ti-Ti原子之间存在较强的偏好性结合趋势，而Ni-Al、Cr-Al等键合则相对均匀。这一结果验证了Al、Ti原子在无晶体结构变化的情况下即倾向形成聚集，符合“类调幅分解”的成分起伏模型。

热力学计算结果进一步支持上述演化路径：在初始溶解态（Al含量5 at.%）下，γ相比γ′相的自由能更低，直接生成γ′相需要克服热力学能垒；但随着Al聚集体形成，其局部Al浓度升高，至7.2 at.%（60min时效）时，γ′相局部自由能低于γ相，自发有序化过程得以发生，并在Al进一步富集（11.5 at.%）后显著加速相变。通过这种方法，天津大学材料科学与工程学院郭乾应/刘永长教授团队提出了γ′相形成初期“元素聚集 → 上坡扩散 → 有序化”的缓慢连续机制，打破了以往“调幅分解与有序化互斥”的传统认知，表明两者实为协同驱动过程。

该研究从实验观察和模拟计算双重角度指出：γ′相的初始形核并非源自经典“下坡扩散”或“异构成核”路径，而是通过Al–Al、Cr-Cr偏好结合诱导的微尺度上坡扩散过程降低局部自由能、驱动有序化转变。这一全新的认识打破了传统析出强化理论的框架，为后续镍基合金在增材制造、快速凝固等非平衡加工路径中的组织设计与热处理工艺优化提供了坚实的理论支撑。相关研究成果以“Initial γ′ phase formation mechanism in a GH4099 precipitation strengthened nickel-based superalloy”为题，发表在《Scripta Materialia》期刊上。

链接：

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

图1 HADDF-STEM图像, FFT, EDS面分布图: (a-e)时效6 min合金; (f-j)时效60 min合金 

图2 (a-c) MC/MD模拟的Al-Cr分布图; (d-e) RDF曲线

图3 GH4099 合金在800 °C下γ'和γ相的吉布斯自由能与 Al 含量的关系曲线以及 γ' 相形成过程的相关示意图

该研究的最终结论是，γ′相的形成过程并非由某一单一机制主导，而是由元素偏好结合驱动的类条幅分解行为以及有序化演化两者协同推进。化学异质性的产生并不是γ′相形成的副产品，而是与有序化进程互相促进。该机制不仅揭示了Ni基合金中γ′相早期行为的物理本质，更为优化激光熔化等快冷制造工艺下的析出行为提供了理论基础。