基于同步辐射成像技术的金属材料凝固研究进展

蒋佳乐1,2,3，康永旺1,4，罗军1,3，王智茂5，黎刚5，刘昌奎1,3，李楠1,3（1 中国航发北京航空材料研究院；2 航空材料检测与评价北京市重点实验室；3 中国航空发动机集团材料检测与评价重点实验室；4 中国航发北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室；5 中国科学院高能物理研究所）

摘要：凝固在金属材料制备中至关重要。凝固过程直接决定了金属材料的微观组织和宏观性能。金属从液态转变为固态时，晶粒的形成和生长、凝固速度、温度梯度和合金成分等因素会导致不同的微观结构，影响金属的最终组织结构。这些因素的变化不仅决定了金属的力学性能，还可能引发诸如晶界缺陷、气孔、夹杂物等缺陷，进而影响其整体质量和使用性能。同步辐射由于具有高穿透性和高时空分辨率，能够实时观察和跟踪金属在凝固过程中的微观结构演化，从而深入理解其内在变化机理。本文综述了国内外同步辐射成像技术在金属材料凝固过程研究中的最新进展，重点探讨了该技术在晶体形核与生长、凝固缺陷形成机制以及快速凝固（焊接与增材制造）等方面的应用与研究成果。通过结合相场模拟与机器学习等新方法，研究者在晶粒细化机制、气孔与热撕裂形成规律以及快速凝固模式控制方面取得了重要进展。最后指出，提升同步辐射时间与空间分辨率、开展多尺度耦合表征、融合实验与数值模拟并引入数据驱动的智能分析方法是未来凝固过程原位研究的重要发展方向，这将为先进材料设计与工艺优化提供更坚实的理论基础与技术支撑。

关键词：凝固；晶体形核；晶体生长；凝固缺陷；同步辐射