山東大學《Acta Materialia》：解決鋁合金細化"中毒"難題！
2023-03-07 15:37:29
作者：材料科學與工程 來源：材料科學與工程
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合金的晶粒細化對提高合金強塑性、改善鑄造質量、提升綜合質量等具有重要意義。然而，當傳統晶粒細化劑（如Al-Ti-B）細化含Si/Zr的鋁合金時，形核界面會被Si/Zr破壞，發生Si/Zr致細化“中毒”現象。Si/Zr致細化“中毒”是鋁加工業亟待解決的難題，嚴重制約高強鋁合金的發展，阻礙航空航天、交通運輸等領域高端裝備的輕量化發展，成為鋁加工業轉型升級和高質量發展的“痛點”。山東大學劉相法教授團隊致力于攻克該難題，經過十多年的系統研究，成功自主研制出抗Si/Zr致細化“中毒”的Al-TCB晶種合金，并已實現工業化生產及應用。近期在揭示其抗細化“中毒”機制方面取得重要進展：Al-TCB晶種合金內有大量細小均勻彌散的TCB復合體，該復合體由B摻雜型TiC (B-TiC)和C摻雜型TiB2(C-TiB2)構成。在鋁熔體特別是鋁硅熔體中，TCB復合體中的B-TiC演變成Al4C3，釋放出起輔助細化α-Al的Ti原子，同時提高形核襯底C-TiB2的數密度。實驗和第一性原理計算均表明，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的結構，仍是α-Al的有效形核襯底。相關成果以“An anti Si/Zr-poisoning strategy of Al grain refinement by the evolving effect of doped complex”為題發表在金屬材料領域頂級期刊《Acta Materialia》。論文第一作者為山東大學李道秀博士生，通訊作者為南京理工大學聶金鳳教授（個人鏈接：Jinfeng Nie (njust.edu.cn)）、山東大學劉相法教授（課題組鏈接：納米晶種材料創新工作室 (nfalloys.com)）和山東大學劉思達研究員（個人鏈接：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晶種合金內的TCB復合體細小均勻彌散，其中TCB復合體由B摻雜型的TiC和C摻雜型的TiB2構成。
圖2 Al-TCB晶種合金的細化效果。0.1 wt.%的Al-TCB即可使Al-7Si-0.4Mg的晶粒由784 μm細化至84 μm，并且長時間保溫后細化效果不衰退；同時0.5 wt.%的Al-TCB則能將Al-5Cu-0.15Zr由402 μm細化至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復合體在Al熔體中的演變。在Al熔體中，TCB復合體中的B-TiC演變成Al4C3，釋放Ti，提高C-TiB2的數密度；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致細化“中毒”無法發生。
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無法致其細化“中毒”。基于以上基礎研究，研究團隊首次提出TCB復合體的演變形核機制，從根本上同時解決了Si致細化“中毒”難題和Zr致細化“中毒”堵點問題，有望為突破鋁合金強韌性不匹配、綜合性能不達標和加工性差等發展瓶頸提供有效解決策略。該研究對加快鋁加工行業轉型升級和高端裝備制造業輕量化發展具有重要的現實意義和重大的戰略價值。
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