合金的晶粒細(xì)化對(duì)提高合金強(qiáng)塑性、改善鑄造質(zhì)量、提升綜合質(zhì)量等具有重要意義。然而，當(dāng)傳統(tǒng)晶粒細(xì)化劑（如Al-Ti-B）細(xì)化含Si/Zr的鋁合金時(shí)，形核界面會(huì)被Si/Zr破壞，發(fā)生Si/Zr致細(xì)化“中毒”現(xiàn)象。Si/Zr致細(xì)化“中毒”是鋁加工業(yè)亟待解決的難題，嚴(yán)重制約高強(qiáng)鋁合金的發(fā)展，阻礙航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域高端裝備的輕量化發(fā)展，成為鋁加工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和高質(zhì)量發(fā)展的“痛點(diǎn)”。山東大學(xué)劉相法教授團(tuán)隊(duì)致力于攻克該難題，經(jīng)過十多年的系統(tǒng)研究，成功自主研制出抗Si/Zr致細(xì)化“中毒”的Al-TCB晶種合金，并已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用。近期在揭示其抗細(xì)化“中毒”機(jī)制方面取得重要進(jìn)展：Al-TCB晶種合金內(nèi)有大量細(xì)小均勻彌散的TCB復(fù)合體，該復(fù)合體由B摻雜型TiC (B-TiC)和C摻雜型TiB2(C-TiB2)構(gòu)成。在鋁熔體特別是鋁硅熔體中，TCB復(fù)合體中的B-TiC演變成Al4C3，釋放出起輔助細(xì)化α-Al的Ti原子，同時(shí)提高形核襯底C-TiB2的數(shù)密度。實(shí)驗(yàn)和第一性原理計(jì)算均表明，C-TiB2中的C摻雜降低了Si或Zr元素在C-TiB2/Al界面上的偏聚傾向，保留界面處TiAl3-2DC的結(jié)構(gòu)，仍是α-Al的有效形核襯底。相關(guān)成果以“An anti Si/Zr-poisoning strategy of Al grain refinement by the evolving effect
of doped complex”為題發(fā)表在金屬材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Acta Materialia》。論文第一作者為山東大學(xué)李道秀博士生，通訊作者為南京理工大學(xué)聶金鳳教授（個(gè)人鏈接：Jinfeng Nie (njust.edu.cn)）、山東大學(xué)劉相法教授（課題組鏈接：納米晶種材料創(chuàng)新工作室 (nfalloys.com)）和山東大學(xué)劉思達(dá)研究員（個(gè)人鏈接：https://faculty.sdu.edu.cn/liusida/zh_CN/）。http://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118812圖1 Al-TCB晶種合金的表征。Al-TCB晶種合金內(nèi)的TCB復(fù)合體細(xì)小均勻彌散，其中TCB復(fù)合體由B摻雜型的TiC和C摻雜型的TiB2構(gòu)成。圖2 Al-TCB晶種合金的細(xì)化效果。0.1 wt.%的Al-TCB即可使Al-7Si-0.4Mg的晶粒由784 μm細(xì)化至84 μm，并且長(zhǎng)時(shí)間保溫后細(xì)化效果不衰退；同時(shí)0.5 wt.%的Al-TCB則能將Al-5Cu-0.15Zr由402 μm細(xì)化至63 μm。圖3 Al-Si-Mg及Al-Cu-Zr合金中的形核襯底表征。C-TiB2是Al-Si-Mg合金中α-Al的形核襯底，其中Al4C3分布在部分C-TiB2周圍；TCB復(fù)合體和C-TiB2均可作為Al-Cu-Zr合金中α-Al的形核襯底。圖4 TCB復(fù)合體在Al熔體中的演變。在Al熔體中，TCB復(fù)合體中的B-TiC演變成Al4C3，釋放Ti，提高C-TiB2的數(shù)密度；C-TiB2為α-Al提供有效形核襯底，B-TiC演變過程中釋放的Ti輔助細(xì)化α-Al。圖5 Al-Si合金中C-TiB2/Al的界面表征。C在C-TiB2中的摻雜降低了Si在C-TiB2/Al界面上的偏聚傾向，保留了TiAl3-2DC的輔助形核作用，Si致細(xì)化“中毒”無法發(fā)生。圖6 Al-Cu-Zr合金中C-TiB2/Al的界面表征。C在C-TiB2中的摻雜避免了Zr在C-TiB2/Al界面上的偏聚，保留了TiAl3-2DC的輔助形核作用，因此Zr無法致其細(xì)化“中毒”。基于以上基礎(chǔ)研究，研究團(tuán)隊(duì)首次提出TCB復(fù)合體的演變形核機(jī)制，從根本上同時(shí)解決了Si致細(xì)化“中毒”難題和Zr致細(xì)化“中毒”堵點(diǎn)問題，有望為突破鋁合金強(qiáng)韌性不匹配、綜合性能不達(dá)標(biāo)和加工性差等發(fā)展瓶頸提供有效解決策略。該研究對(duì)加快鋁加工行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和高端裝備制造業(yè)輕量化發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和重大的戰(zhàn)略價(jià)值。*感謝論文作者團(tuán)隊(duì)對(duì)本文的大力支持。
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