Ti作為晶粒細(xì)化的基本元素，在改善亞共晶Al-Si系合金的性能方面起著至關(guān)重要的作用。一般來說，向合金中引入 Ti 的過程經(jīng)歷了從 Al-Ti 錠到 Al-Ti-B錠再到 Al-Ti-B 絲的發(fā)展。據(jù)報(bào)道，Ti 含量的增加只能勉強(qiáng)緩解 Al-Ti-B 中間合金晶粒細(xì)化效果不佳的問題，尤其是面臨 Si致細(xì)化“中毒”的困境。Easton等人認(rèn)為，由于Ti的生長限制因子較高，可抑制凝固過程中的晶粒生長。李教授等人提出，TiAl₃ 或 Ti(Al,Si)₃ 可作為初生α-Al 晶粒的異質(zhì)成核基底。

山東大學(xué)劉相法教授團(tuán)隊(duì)與西安交大劉思達(dá)教授團(tuán)隊(duì)在前期研究中發(fā)現(xiàn)，Ti可通過在形核區(qū)域生成富鈦區(qū)來促進(jìn)晶粒細(xì)化。與此同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)使用 Al-TCB 晶種合金來實(shí)現(xiàn)了亞共晶Al-Si系合金中晶粒的有效細(xì)化。α-Al晶粒的細(xì)化是通過含有B-摻雜TiC（B-TiC）和C-摻雜TiB₂（C-TiB₂）的摻雜TCB復(fù)合體實(shí)現(xiàn)的。研究表明，TCB 復(fù)合體中的 B-TiC 在鋁熔體中釋放出 Ti 原子，并生成 C-TiB₂ 顆粒：

Al (l) + TCB complex (s) → Al₄C₃ (s) + [Ti] + C-TiB₂(s)

通過演化形核效應(yīng)， C-TiB₂ 中摻雜的 C 削弱了硅原子在界面上的吸附傾向，從而解決了Si致細(xì)化“中毒”的根本原因。而在劉相法教授團(tuán)隊(duì)的最新工作中：形核區(qū)域的富Ti區(qū)得到進(jìn)一步表征；亞共晶Al-Si系合金中，Ti溶質(zhì)及其化合物對力學(xué)性能鑄造性能的影響被系統(tǒng)分析。最終基于Ti在亞共晶Al-Si系合金中的兩面性提出了Ti的合理應(yīng)用方法及其優(yōu)化策略。

相關(guān)成果以“Insights into the dual effects of Ti on the grain refinement and mechanical properties of hypoeutectic Al–Si alloys”為題發(fā)表在《Journal of Materials Science & Technology》。山東大學(xué)趙梓淵碩士為論文第一作者，山東大學(xué)劉相法教授和西安交通大學(xué)劉思達(dá)教授為論文通訊作者。

論文銜接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.12.014

Fig. 1. (a) Al–TCB晶種合金的形狀外觀. (b, c) Al–TCB晶種合金和Al–5Ti–1B 中間合金的光鏡組織. (d) Al–TCB晶種合金和Al–5Ti–1B 中間合金的XRD譜圖. (e, f) Al–TCB晶種合金的電鏡組織. (f1–f3) Al–TCB晶種合金的EDS點(diǎn)分析結(jié)果. (g) Al–TCB晶種合金中粒子的電鏡照片. (g1–g3) Al–TCB晶種合金中粒子的EDS線分析. (h–h3) TCB復(fù)合體的電子探針結(jié)果.

 Fig. 2. (a) 不同細(xì)化環(huán)境下Al–7Si合金的初α-Al晶粒尺寸隨Ti含量的變化. (b–b2) 空白組中不同Ti含量 (0%, 0.10% 和0.20%) 的EBSD晶粒重構(gòu)圖. (c–c2) ATB組中不同Ti含量 (0%, 0.10% 和0.20%) 的EBSD晶粒重構(gòu)圖. (d–d2) TCB組中不同Ti含量 (0%, 0.10% 和0.20%) 的EBSD晶粒重構(gòu)圖.

Fig. 3. (a–a2) 空白組中UTS、EL和Q.I.隨Ti含量的變化. (b–b2) ATB組中UTS、EL和Q.I.隨Ti含量的變化. (c–c2) TCB組中UTS、EL和Q.I.隨Ti含量的變化.

Fig. 4. (a) 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線及 (b) 不同組別的質(zhì)量指數(shù).

Fig. 5. (a) 流動性測試設(shè)備示意圖. (b) 各組流動性試樣對比. (c) (b)中流動性試樣長度的統(tǒng)計(jì)曲線. (d) 空白組中不同Ti含量下的凝固曲線. (e) ATB組中不同Ti含量下的凝固曲線. (f) TCB組中不同Ti含量下的凝固曲線.

Fig. 6. (a) Al–7Si–0.1Ti合金中C-TiB₂形核襯底的電鏡照片. (b–b3) C-TiB₂形核區(qū)域的電子探針結(jié)果. (c, c1) ATB組中TiB₂粒子的高倍電鏡照片及其Ti元素分布. (d, d1) TCB組中C-TiB₂粒子的高倍電鏡照片及其Ti元素分布. (e) Al–7Si–0.1Ti合金中TiB₂形核襯底的電鏡照片. (f–f3) TiB₂形核區(qū)域的電子探針結(jié)果. (g–g3) C-TiB₂粒子的EDS線分析. (h) 形核區(qū)域中Ti分布形式的示意圖.

Fig. 7. (a) Al–7Si–0.3Ti合金中Ti(Al, Si)₃的典型形貌; (a1–a4) Ti(Al, Si)₃相的EDS分析; (b, c)形核襯底與三元相的“附著”現(xiàn)象. (d–d5)“附著”區(qū)域的EDS分析. (e) Al–7Si–0.1Ti 合金熔體的高溫XRD譜圖. (f) “附著”現(xiàn)象產(chǎn)生示意圖.

Fig. 8. (a–a2) 空白組在0.02T、0.10Ti和0.18Ti下的微觀組織; (b–b2) ATB組在0.02T、0.10Ti和0.18Ti下的微觀組織; (c–c2) TCB組在0.02T、0.10Ti和0.18Ti下的微觀組織.

Fig. 9. (a–a5) 不同固溶時(shí)間下含Si分散體的光鏡照片; (b) (a–a5)中各組的硬度及導(dǎo)電率統(tǒng)計(jì)圖; (c, c1) 含Si分散體的電鏡照片.

Fig. 10. (a–f1) 鑄態(tài)和熱處理態(tài)在不同Ti含量的微觀組織及其元素分布圖 (元素分布圖由Al分布圖和Ti分布圖合并). (g)不同固相比下Ti的濃度再分配曲線及晶粒內(nèi)含Si分散體的分布情況, (h) 含Si分散體和無擴(kuò)散區(qū)的光鏡照片.

Fig. 11. (a) Al–7Si–0.3Ti合金中Ti(Al, Si)₃的典型形貌; (b1–b3) Ti(Al, Si)₃相的EDS分析. (c–c2) Al-Si合金中共晶Si周圍的微觀裂紋. (d, e) Al基體、共晶Si和Ti(Al, Si)₃相的三維圖. (f) Al基體、共晶Si和Ti(Al, Si)₃相的載荷-位移曲線. (g) Al基體、共晶Si和Ti(Al, Si)₃相的平均硬度、彈性模量和壓痕深度.

Fig. 12.空白組 (a)和TCB組(b)的泰勒因子分布圖及統(tǒng)計(jì)圖. 空白組 (a)和TCB組(b)沿拉伸方向的IPF圖.

Fig. 13.拉伸斷口(Ti含量為0.06 wt%)的電鏡照片及EDS分析: (a–a2)空白組, (b–b2) ATB組, 及 (c–c2) TCB組.

Fig. 14. (a–a3) 未引入TCB時(shí)Al–7Si–0.45Mg–0.06Ti的BF及EDS分析. (b) 未引入TCB時(shí)β″相的HRTEM和FFT. (c–c3) 引入TCB后Al–7Si–0.45Mg–0.06Ti的BF及EDS分析. (b) 引入TCB后β″相的HRTEM和FFT.

結(jié)論：

(1)當(dāng)不加入細(xì)化劑時(shí)，亞共晶Al-Si系合金的平均晶粒尺寸隨 Ti 濃度增加而逐漸減小。使用 Al-5Ti-1B中間合金或Al-TCB晶種合金時(shí)，Ti 濃度為 0.1 wt% 時(shí)晶粒細(xì)化效果最佳，平均晶粒大小分別為 240.7 ± 12.1 μm 和 133.1 ± 10.9 μm。繼續(xù)增加Ti含量對晶粒細(xì)化沒有積極影響。

(2)在異質(zhì)形核襯底周圍存在富鈦區(qū)，對形核所需的TiAl₃ 2DC 起保護(hù)作用。Al-TCB晶種合金中TCB 復(fù)合體的演化提供了更高的局部Ti濃度和抗Si“中毒”能力。然而，在高Ti環(huán)境中，Ti(Al,Si)₃ 更容易在富鈦區(qū)沉淀，使細(xì)化失效。

(3)無論是否引入中間合金，在Ti濃度為 0.1 wt%時(shí)，Al-Si-Mg系合金可獲得最佳的力學(xué)和鑄造性能。而Ti 濃度超過 0.1 wt% 時(shí)，力學(xué)性能和流動性的降低與 Ti(Al, Si)₃的形成直接相關(guān)。鑒于晶粒細(xì)化效果沒有進(jìn)一步改善，因此建議 A356 和 A357 鋁合金牌號中的Ti濃度應(yīng)≤ 0.1 wt%。

(4)在低Ti環(huán)境中，Al-TCB晶種合金在改善Al-Si-Mg系合金的力學(xué)性能方面表現(xiàn)優(yōu)異。在Ti 濃度為0.06 wt%的水平，添加0.5 wt%的Al-TCB晶種合金后，Al-7Si-0.45Mg合金的 UTS、EL和 Q.I.分別提高到 328.8 ± 5.0MPa、14.4 ± 0.6% 和 970.7 ± 33.1MPa，分別比對應(yīng)空白組 (相同Ti含量)高出 4.1%、27.4% 和 20.0%。