山東大學(xué)劉相法教授團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的B摻雜型TiC (TiCB)作為一種精準(zhǔn)高效的α-Al形核晶種，已在抗Si（Zr）致細(xì)化“中毒”領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。針對非熱處理強(qiáng)化型Al-Mn系耐蝕鋁合金強(qiáng)度難以改善，應(yīng)用受局限等難題，來自山東大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過在該合金中添加TiCB晶種，采用普通重力鑄造和熱擠壓工藝制備了系列細(xì)晶及超細(xì)晶Al-Mn系鋁合金，研究了該晶種對Al-Mn系合金凝固組織、擠壓行為和力學(xué)性能的影響，并通過系統(tǒng)的表征及分析，揭示了TiCB晶種對Al-Mn系合金的細(xì)化及強(qiáng)化機(jī)理。相關(guān)成果以“Microstructure evolution and enhanced mechanical properties in Al-Mn alloy reinforced by B-doped TiC particles”為題發(fā)表在《Materials & Design》。山東大學(xué)張冬青碩士生為論文第一作者，山東大學(xué)劉思達(dá)研究員和劉相法教授為論文通訊作者。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110906

除了大變形等特種加工手段外，傳統(tǒng)的晶粒細(xì)化方法，鑄錠或鑄件的初晶晶粒平均尺寸一般都大于100 mm。既使通過后續(xù)正常熱加工，晶粒細(xì)化會有變化，但再結(jié)晶等因素的制約，晶粒細(xì)化總是具有一定極限，進(jìn)一步細(xì)化總是十分困難，難以達(dá)到超細(xì)化（﹤10 μm）水平。

本文研究結(jié)果表明，TiCB晶種可顯著細(xì)化Al-Mn系合金的α-Al晶粒。 當(dāng)TiCB晶種添加量為0.5 wt.%時，α-Al平均晶粒尺寸可由最初的410.1 μm細(xì)化至40.2 μm，擠壓進(jìn)一步細(xì)化至9.1 μm，在普通熱加工條件下，使鋁合金晶粒達(dá)到了超細(xì)化水平。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，TiCB晶種可抑制Al-Mn系合金熱擠壓過程中的動態(tài)再結(jié)晶過程，并保留大量的幾何必須位錯（GND）。當(dāng)添加量為1.5%時，合金中的GND密度為1.37 × 1014/m2，遠(yuǎn)高于Al-Mn系合金的0.54 × 1014/m2。 因此，當(dāng)TiCB晶種添加量為1.5 wt.%時，Al-Mn系合金在25 ℃和350 ℃時的抗拉強(qiáng)度分別提高了25.6%和32.4%。

圖1 Al-TCB晶種合金組織表征

圖2凝固組織中α-Al晶粒尺寸對比：(a) Al-Mn；(b) Al-Mn+0.5TiCB; (c) Al-Mn+1.5TiCB

圖3不同TiCB粒子添加量下Al-Mn合金凝固組織：(a) Al-Mn；(b) Al-Mn+0.5TiCB; (c-e) Al-Mn+1.5TiCB

圖4 Al-Mn+1.5TiCB合金TEM表征

圖5擠壓態(tài)幾何必須位錯密度分析：(a, d) Al-Mn; (b, e) Al-Mn+0.5TiCB; (c, f) Al-Mn+1.5TiCB; (g-i) Al-Mn+1.5TiCB的TEM分析

圖6力學(xué)性能：(a) 25 ℃；(b) 350 ℃

值得關(guān)注的是，TiCB晶種作為強(qiáng)化粒子，與α-Al之間潔凈且連續(xù)的界面，不僅為Al-Mn系合金室溫(25℃)強(qiáng)度，而且為其高溫(350℃)強(qiáng)度的提升提供了可靠的保障。

本文提出了一種提升非熱處理強(qiáng)化型Al-Mn系合金力學(xué)性能的新思路，系統(tǒng)研究了TiCB晶種粒子對Al-Mn合金的組織調(diào)控行為，并分析了該合金的強(qiáng)化機(jī)制。為研發(fā)高強(qiáng)非熱處理型鋁合金新材料提供了數(shù)據(jù)和理論支撐。