近日，我院陈辉团队的刘红梅等老师与皇家墨尔本理工大学马前教授合作在《Nature communications》上发表了题为“Migration of solidification grain boundaries and prediction”的研究性论文。论文的第一作者为我院教师刘红梅副教授，并与皇家墨尔本理工大学马前教授为共同通讯作者。皇冠陈辉，张英波，墨尔本皇家理工大学逯圣路，四川大学陈云贵为合作作者。皇冠为第一作者单位。

晶界是不同取向晶体之间的界面，是多晶材料的一个基本组成要素，对材料所有的性能几乎都有影响。凝固是大部分金属材料及零部件制造过程中的一个核心环节或终端制造工艺，包括金属增材制造或3D打印。金属凝固晶界（SGB）的形成源于两个不同取向相邻晶粒之间最后液膜的凝固。因此，刚凝固结束的晶界的成分由最后凝固阶段剩余液膜（厚度约为~1nm）的成分决定。对大部分合金来讲 （溶质分配系数 k < 1）， 最后液膜也是溶质原子或杂质原子的富集区。

通常情况下，凝固后形成的晶界的位置应该就是最后液膜的位置， 如示意图1a所示。然而，实验发现，很多情况下，凝固后的晶界位置明显偏离最后液膜的位置，如示意图1b所示。 这一现象可概括称之为凝固晶界的迁移（SGBM）。需要强调的是， 与再结晶或晶粒长大过程中的晶界迁移现象不同，凝固晶界的迁移直接导致其与最后形成的溶质或杂质富集区分离。这种分离可有效地消除或弱化凝固组织中由于因晶界与溶质或杂质原子偏析重叠而带来的一系列不利影响。具体体现在以下几个方面 ：（1）可有效抑制由于凝固晶界与溶质偏析重合而导致的晶间腐蚀， （2） 可避免或抑制在焊接和增材制造过程中，由于反复加热而造成的在晶界和显微偏析重合区热裂纹或液化裂纹的形成倾向；（3）可减少晶界三叉点处的残余应力-这些应力会催生裂纹的萌生；以及（4）可降低因溶质偏析在晶界形成第二相而引起的晶间断裂（例如，焊接或增材制造过程中的反复加热可诱导第二相形成）。

尽管凝固晶界迁移现象早在1961年就有学者注意到并进行了许多系统性的实验研究，尤其是在焊接领域，但长期以来对影响凝固晶界迁移的基本因素，包括合金溶质原子类型和含量、冷却速度、晶粒尺寸的影响，缺乏深究，亦无具体的评价指标。因而，在本工作开始前，没有任何理论模型可以预测凝固晶界的迁移。在此背景下，皇冠陈辉教授课题组的刘红梅等老师与皇家墨尔本理工大学杰出教授马前团队合作研究了凝固晶界的迁移问题，建立了理论模型， 并成功预测了多种系列合金系统的凝固晶界迁移现象。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-33482-8.

凝固晶界与枝晶胞与之间的对应关系示意图  a 典型重合关系； b 与枝晶胞边缘分离的晶界

        铸态Mg-0.63at.% (3 wt.%) Sn合金中的SGBM   

皇冠陈辉团队全职科研人员100余名，主要研究方向：“高速交通装备先进焊接技术”、“激光先进加工技术”、“广域环境结构材料技术”、“轻量化结构材料及部件服役行为安全评价技术”、“先进表面工程技术”。开展高速载运装备等关键材料技术研发、系统集成创新、科技成果与产品的孵化及产业化、工程技术的人才培养以及社会服务。研究类型包括基础研究、先进前沿技术攻关、应用示范，以培养高端多元化复合型研究人才。面向未来交通：高速磁悬浮列车、更高速度高速列车、川藏铁路、大飞机等国家重大需求、重大工程，突破其中高性能金属材料与先进焊接科技，致力推进更高可靠更长寿命更环保节能的国家轨道交通事业发展。团队近年来主持国家科技支撑计划课题、973课题、国家重点研发计划课题、国家自然基金项目等国家级项目/课题10余项，省部级、企业委托项目60余项，累计科研经费1亿余元。