近日，金沙js6038核电关键材料全国重点实验室钟云波教授和任维丽教授领衔团队在镍基高温合金单晶叶片的定向凝固研究中发现，枝晶阵列的演化行为对单晶的生长和缺陷的形成起到决定性作用，并以三维矢量方法建立了全新的解析模型，相关结果以“3D perspective on cavity-guided dendritic array evolution in single-crystal superalloys: A novel vectorized analytical model” （图1）为标题在金属材料领域权威期刊《Acta Materialia》（影响因子9.3）上发表。金沙js6038为第一单位，硕士生周浩宇和博士生张丛江为论文共同第一作者，任维丽教授、丁彪副教授、钟云波教授为共同通讯作者，论文合作者还包括金沙js6038郑天祥教授、史传鑫、余洪斌、康宏达和杨煜锋博士生、重庆大学张昂教授、田纳西大学材料科学与工程学院Peter K. Liaw教授。
图1. 文章首页
镍基单晶高温合金凭借其优异的高温力学性能和抗氧化腐蚀性能，成为航空航天和燃气轮核心热端部件涡轮叶片首选。定向排列枝晶阵列构成了叶片主体框架，很大程度上决定了其服役性能。随着航空发动机推重比和热效率的不断发展，单晶叶片结构越来越复杂，一方面内部结构表现为多层多通道多路的空心特点，另外一方面外部也呈现出渐变和多处突变截面特征，在单晶叶片的定向凝固过程中，复杂的型腔结构既约束热场、辐射与熔体流动，使得枝晶阵列也呈现复杂演变行为，同时也孕育了小角度晶界、杂晶、雀斑等缺陷形成。因此，枝晶阵列和型腔结构之间的关系构建已经成为生长高质量单晶叶片的关键科学问题，也是获得整齐排列枝晶必须突破的瓶颈。
在此背景下，钟云波教授和任维丽教授领衔的研究团队见微知著，发现镍基单晶枝晶阵列在螺旋型腔内定向凝固生长时呈现出独特的排列规律：螺旋结构几何特征矢量和排列比例存在内禀一致性（图2），该规律普适性通过系统改变合金成分与螺旋结构参数的多次重复实验证实。同时创新性地从三维视角出发，将型腔结构、温度梯度、枝晶阵列位向矢量化，构建了三者的数学解析模型（图3），并被宏观尺度有限元模拟与微观尺度相场计算所验证（图4）。
图2. 枝晶阵列随型腔结构特征演变行为
图3. 型腔结构、温度梯度、枝晶阵列位向矢量解析模型
图4. 宏微观尺度模拟复杂型腔结构内枝晶生长
该成果不仅明确了枝晶阵列演变行为与叶片型腔的内禀关联机制，而且建立的模型也展现出以下重要意义：1）可发展为表征枝晶阵列新方法；2）关联了宏观温度梯度和枝晶位向及型腔结构，在宏微观模拟展示出重要的桥梁，可实现真正意义上的宏微观模拟凝固过程；3）对生长高质量单晶叶片具有重要预测作用，以此预判小角度晶界、杂晶等缺陷，为最终生长出完整、无缺陷的单晶叶片提供重要的理论指导。
本工作是金沙js6038核电关键材料全国重点实验室钟云波教授和任维丽教授领衔团队在高温合金单晶生长研究领域的系列突破之一，得到了国家自然科学基金面上52373319和联合重点U23A20607项目的资助。未来，团队还将在大尺寸单晶镍基高温合金叶片的缺陷控制、单晶高温合金高温性能提升方面开展进一步的创新研究。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.121921
