文章介绍：

凝固作为一种基本的冶金过程，支撑了人类文明的进步，从古代青铜和铁的粗炼，发展到工业时代金属部件的精密制造。在过去的一个世纪里，两种重要的凝固技术——定向凝固和快速凝固——逐渐从原始的铸造方法中衍生出来。定向凝固通过建立单向温度梯度实现顺序凝固，能够生长出具有择优晶体取向的柱状晶或单晶。该技术对航空发动机单晶叶片、硅单晶光学元件和单晶光纤激光器等关键材料的开发起到了重要作用。然而，由于定向凝固涉及的冷却速率相对较慢，其形成的微观结构通常局限于近平衡态。此外，其生产效率往往受到低生长速率的限制。相比之下，高效快速凝固能够通过超快冷却速率或大过冷度生成非平衡微观结构，从而形成过饱和固溶体、纳米晶、非晶和亚稳相。这些非平衡微观结构为实现突破性的力学和功能特性提供了多样化的设计可能性。尽管如此，快速凝固通常生成的是非取向多晶而非单晶。迄今为止，将这两种技术相结合，即旨在以快速生长速率/冷却速率生长单晶的快速定向凝固（RDS）技术，仍是人们迫切需要但难以实现的目标。

近期，我们设计并制造了一台以电子束为热源、以镓-铟-锡液态合金为冷却介质的RDS设备。该设备产生宽度小于10毫米的极窄熔区，从而在固液（S-L）界面前沿形成约10⁶ K/m的巨大温度梯度，比现有最先进的定向凝固方法高出1~2个数量级。在此条件下，可允许的拉拔速率显著提高，从而大幅加快单晶生长速度。此外，RDS策略使熔体获得明显更高的冷却速率，有望使单晶生长保持在非平衡状态。因此，RDS策略不仅有可能实现高效的单晶生长，还有望通过形成具有非平衡微观结构的单晶，获得前所未有的材料性能。

精确控制凝固过程，尤其是温度场，对于成功生长单晶至关重要。理解传热行为是推进凝固理论和单晶生长技术的基础，而这一理解有赖于对整个过程中温度场的详细了解。传统的接触式和非接触式测温方法（如热电偶测量和红外测温）在应用于RDS方法时面临巨大挑战。这些挑战主要源于以下三个方面：(1) 电子束高能量密度导致熔体内产生超高温，通常超过上述方法的测量上限，可达3000 K以上。(2) 窄熔区具有巨大的温度梯度，需要高精度的定位和测温。(3) 熔区的快速运动导致固液界面附近的温度场不稳定。鉴于这些现实情况，有限体积法（FVM）能够有效计算内部温度场和传热，从而提供RDS过程所需的实时、多点、同步的温度数据，因此非常适合满足这些需求。模拟结果有望指导单晶生长的工艺参数设计。

在本研究中，我们以微量铽原子掺杂的铁镓（Tb-doped Fe-Ga）磁致伸缩材料为范例，将系统的有限体积法模拟与实验验证相结合，研究了RDS过程中的传热和晶体生长行为。首先，我们建立了合理的电子束热源模型，并构建了用于模拟的传热模型。随后，我们基于熔区、固液界面和温度场的预定义判据，对工艺参数进行了逐步逼近法分析。在每个计算节点，对凝固微观组织进行实验表征，以验证模拟结果的准确性。这些结果确定了单晶生长的合适工艺窗口，并指导成功生长出非平衡态的掺铽铁镓单晶。此外，我们将这些步骤归纳为一个范式，并将该范式拓展至难熔金属，成功获得了铌（Nb）、钼（Mo）、钨（W）单晶。本研究构建了可靠的传热模型，以加深对RDS传热行为的理解，并提出了一种用于多种材料单晶生长的新范式。

中文摘要：

电子束快速定向凝固（RDS）作为一种新兴的单晶生长策略，能够以极快的生长速率制备单晶，并通过产生前所未有的微观结构，有望大幅提升材料性能。然而，电子束快速定向凝固过程中的传热行为尚不明确，导致难以建立多步工艺的控制方法，而这对单晶的成功生长至关重要。由于现有技术难以直接监测温度场，对传热机理的理解进展缓慢。在本工作中，我们构建了电子束热源模型，并采用有限体积法建立了传热模型。在模拟过程中，我们采用逐步逼近法，基于熔区特征、固液界面形态和温度场等预定义判据，确定了工艺窗口。在每个计算节点上，通过对凝固微观组织进行实验观察，验证了模拟结果。以此为基础，以掺铽铁镓（Tb-doped Fe-Ga）磁致伸缩合金为范例，提出了一种确定最优工艺参数的新范式。在模拟结果的指导下，我们成功生长出掺铽铁镓单晶。快速冷却速率导致了非平衡微观组织的形成，使其磁致伸缩性能从282 ppm提升至394 ppm，提高了约40%。该范式进一步拓展至铌（Nb）、钼（Mo）、钨（W）等难熔金属，并成功获得了这些金属的单晶，验证了其广泛适用性。该范式有望显著加速各类单晶材料的研发进程，并为开发具有前所未有微观结构和优异性能的新型单晶材料开辟新道路。