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河北科大金屬頂刊《Acta Materialia》：揭示抗Si毒化與晶粒細化機制

2021-08-26 10:27:51 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

Al-Si鑄造合金以其優異的鑄造性能和出色的強度重量比，在汽車和航空航天工業中廣泛應用。晶粒細化不僅可以產生更多等軸晶結構，而且可以改善鋁液流動性，減少鑄造缺陷，是提高材料綜合性能的關鍵手段。通過加入Al-Ti-B、Al-Ti-C等細化劑實現晶粒細化是最為常見的做法，也由此帶動了Al中間合金產業的發展。隨著這些細化劑的推廣使用，人們發現Si元素會削弱其細化作用，即所謂的“中毒”現象。由此，抗Si毒化的Al-Nb-B細化劑成為熱點，但其在制備與使用方面存在粒子沉降速率快、成本高等諸多問題，并且其細化與抗Si毒化機制尚不清楚。

河北科技大學聯合北京科技大學、清華大學等研究團隊，通過在Al-Nb-B中加入Ti，調控制備出富含“三明治”結構（Nb,Ti）B2顆粒的Al-Nb-Ti-B中間合金。測試、計算表明，該結構有效降低了Si原子的吸附傾向，提高了與Al原子的結合強度，同時（Nb,Ti）B2襯底與Al的晶格失配降低，這些因素共同決定了（Nb,Ti）B2在Si含量較高時仍具有良好的晶粒細化能力。該研究為調控制備多結構Ni-Ti硼化物顆粒，以設計新型的抗Si毒化晶粒細化劑提供了新的思路，對促進相應中間合金制品的研發有重要意義。相關論文以題為“Revealing the mechanism of grain refinement and anti Si-poisoning induced by （Nb, Ti）B2 with a sandwich-like structure”發表在Acta Materialia上。河北科大蘇孺，北科王沿東，清華荊濤為該文章共同通訊作者，青年教師吳大勇，博士麻思達為共同第一作者。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645421006455

目前，在保證Al-Nb-B基中間合金抗硅毒性能的同時，進一步提高其晶粒細化效果是推動其在Al-Si鑄造合金中工業化應用的當務之急。本工作通過加入Ti調控制備了三明治結構的（Nb, Ti）B2，在緩解沉降，降低成本方面有著重要意義，同時完善了多相顆粒形成、抗Si毒化與細化機制，以促進新產品的研發。

圖1（a） Al-3.5Nb-1B和Al-3.5Nb-1B-1Ti中間合金的XRD圖譜。（b）Al-3.5Nb-1B-1Ti典型顯微組織與顆粒統計。（c）局部顆粒形貌SEM圖像。（d）元素面分布的EMPA結果。

圖2.（a） Ti改性NbB2顆粒的TEM照片及選取區域對應的FFT；（b）顆粒的STEM-HAADF照片及其（c）元素面分布；（d） L1、L2和L3亮度強度分析。

圖3.（a）（0001）（Ti, Nb）B2/Al界面結構及對應的FFT.（b）界面結構的高分辨STEM照片。（c） R1選區及L線的元素分布。

圖4.（a）（0001）（Nb, Ti）B2/Al界面的結構模型；（b）界面結構的HAADF模擬與實驗對比；（c）圖（b）中亮度的線（L1，L2，L3）分析。

利用STEM/EDS，可以發現在（-1100）（0001）面均有Nbrich殼層，并且（0001）殼層厚度遠大于2DC（112）Al3M到硼化物面間離。此外，通過對亮度峰值分析，在（-1100）NbB2上形成的（0001）Ti層上幾乎沒有Nbrich殼層。這種不連續出現表明Nb層中的Nb原子不是來熔體，而是來自NbB2顆粒。HRSTEM與元素面分布說明襯底的最外層對應于二硼化物結構，并確定最外面的二硼化物結構為NbrichB2殼。基于此，（0001）（Nb,Ti）B2襯底表面可概括為三明治狀結構：最外層為NbrichB2殼層，中間為TirichB2區，初始襯底為NbB2。結合STEM模擬，確定了Al3M結構的存在，位向關系為（0001）[11-20] （Nb, Ti）B2//[-201] （112） Al3（Nb,Ti）// [1-10]（111） α-Al.

圖5.（a）（0001）（Nb，Ti）B2表面重構引起的能量變化（表面模型-0至-4）；（b1）-（b5）中的數字為終端Ti和Nb的Bader電荷。（c）表面模型-0至-4沿z方向的平面平均靜電勢。

圖6.TiB2端面和NbB2端面在（0001）（Nb,Ti）B2/Al界面的Si吸附傾向分析。

結合DFT計算，分析了（Nb,Ti）B2特征結構的形成機制，并進一步揭示了NbrichB2殼層的存在降低了Si吸附傾向，提高了與Al的化學親和力，同時TirichB2區的形成降低了（Nb,Ti）B2/Al界面的晶格失配，從而保證了其在抗Si毒化的同時兼具高效的細化效果。綜上，本工作調控制備了帶有夾心結構的（Nb,Ti）B2，并在實驗與理論上證實了其優異性，對設計新型的抗Si毒化晶粒細化劑提供了新的思路。