山东大学《Acta Materialia》：解决铝合金细化"中毒"难题！

2023-03-07 15:37:29 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

合金的晶粒细化对提高合金强塑性、改善铸造质量、提升综合质量等具有重要意义。然而，当传统晶粒细化剂（如Al-Ti-B）细化含Si/Zr的铝合金时，形核界面会被Si/Zr破坏，发生Si/Zr致细化“中毒”现象。Si/Zr致细化“中毒”是铝加工业亟待解决的难题，严重制约高强铝合金的发展，阻碍航空航天、交通运输等领域高端装备的轻量化发展，成为铝加工业转型升级和高质量发展的“痛点”。

山东大学刘相法教授团队致力于攻克该难题，经过十多年的系统研究，成功自主研制出抗Si/Zr致细化“中毒”的Al-TCB晶种合金，并已实现工业化生产及应用。近期在揭示其抗细化“中毒”机制方面取得重要进展：Al-TCB晶种合金内有大量细小均匀弥散的TCB复合体，该复合体由B掺杂型TiC (B-TiC)和C掺杂型TiB₂(C-TiB₂)构成。在铝熔体特别是铝硅熔体中，TCB复合体中的B-TiC演变成Al₄C₃，释放出起辅助细化α-Al的Ti原子，同时提高形核衬底C-TiB₂的数密度。实验和第一性原理计算均表明，C-TiB₂中的C掺杂降低了Si或Zr元素在C-TiB₂/Al界面上的偏聚倾向，保留界面处TiAl₃-2DC的结构，仍是α-Al的有效形核衬底。

相关成果以“An anti Si/Zr-poisoning strategy of Al grain refinement by the evolving effect of doped complex”为题发表在金属材料领域顶级期刊《Acta Materialia》。论文第一作者为山东大学李道秀博士生，通讯作者为南京理工大学聂金凤教授（个人链接：Jinfeng Nie (njust.edu.cn)）、山东大学刘相法教授（课题组链接：纳米晶种材料创新工作室 (nfalloys.com)）和山东大学刘思达研究员（个人链接：https://faculty.sdu.edu.cn/liusida/zh_CN/）。

论文链接：

http://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118812

图1 Al-TCB晶种合金的表征。Al-TCB晶种合金内的TCB复合体细小均匀弥散，其中TCB复合体由B掺杂型的TiC和C掺杂型的TiB₂构成。

图2 Al-TCB晶种合金的细化效果。0.1 wt.%的Al-TCB即可使Al-7Si-0.4Mg的晶粒由784 μm细化至84 μm，并且长时间保温后细化效果不衰退；同时0.5 wt.%的Al-TCB则能将Al-5Cu-0.15Zr由402 μm细化至63 μm。

图3 Al-Si-Mg及Al-Cu-Zr合金中的形核衬底表征。C-TiB₂是Al-Si-Mg合金中α-Al的形核衬底，其中Al₄C₃分布在部分C-TiB₂周围；TCB复合体和C-TiB₂均可作为Al-Cu-Zr合金中α-Al的形核衬底。

图4 TCB复合体在Al熔体中的演变。在Al熔体中，TCB复合体中的B-TiC演变成Al₄C₃，释放Ti，提高C-TiB₂的数密度；C-TiB₂为α-Al提供有效形核衬底，B-TiC演变过程中释放的Ti辅助细化α-Al。

图5 Al-Si合金中C-TiB₂/Al的界面表征。C在C-TiB₂中的掺杂降低了Si在C-TiB₂/Al界面上的偏聚倾向，保留了TiAl₃-2DC的辅助形核作用，Si致细化“中毒”无法发生。

图6 Al-Cu-Zr合金中C-TiB₂/Al的界面表征。C在C-TiB₂中的掺杂避免了Zr在C-TiB₂/Al界面上的偏聚，保留了TiAl₃-2DC的辅助形核作用，因此Zr无法致其细化“中毒”。

基于以上基础研究，研究团队首次提出TCB复合体的演变形核机制，从根本上同时解决了Si致细化“中毒”难题和Zr致细化“中毒”堵点问题，有望为突破铝合金强韧性不匹配、综合性能不达标和加工性差等发展瓶颈提供有效解决策略。该研究对加快铝加工行业转型升级和高端装备制造业轻量化发展具有重要的现实意义和重大的战略价值。

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