盛大大学刘翔发教授:新的见解!非化学计量TiCx对铝合金非均匀成核的影响

铝合金因其高强度和经济实用性而成为最具有竞争力的轻质材料。通过向铝熔体中添加晶粒细化剂获得凝固后的等轴晶粒结构,可以实现晶粒细化,这项工业实践对于减少铸造缺陷并进而提高合金力学性能至关重要。

Al–Ti–B和Al–Ti–C中间合金是有效的Al晶粒细化剂,且Al–Ti–B中间合金是迄今使用最广泛的晶粒细化剂。相比之下,Al–Ti–C中间合金在晶粒细化过程中表现出另外几项优势:难溶性成核TiCx颗粒比TiB2更细小,聚集倾向更小,有助于减少铝箔的缺陷和裂纹;与Al–Ti–B相比,同时表现出更强的抗Zr中毒性,在含Zr的Al合金中表现出更高的晶粒细化效率,这促使Al–Ti–C中间合金成为一系列铝合金的有效晶粒细化剂。然而,作为成核的最直接证据,Al/TiCx界面仍然很少被观察到,且表征困难,界面尚未完全确定。此外,TiCx不稳定性对Al/TiCx成核界面结构的影响仍有待探索。

基于前期研究,TiCx对Al的成核能力与x值密切相关——x值越低,TiCx的成核性能越强。此外,当x<0.7由于界面反应,在TiCx/Al界面中检测到Al3Ti,而当x>0.7时,优先形成Al4C3相。这表明TiCx和Al之间的反应也受到x值的影响,并且产物并非全是传统上认为的Al4C3。因此,为了阐明晶粒细化机制,准确确定含空位TiCx和Al之间的界面是非常必要的。

近日,山东大学刘相法教授课题组利用HRTEM表征观察到了Al/TiCx成核界面,系统地研究了TiCx的不稳定性和非化学计量对Al/TiCx界面形成的影响,并揭示了Al–Ti–C对Al的晶粒细化机制。相关成果以题为“A new insight into heterogeneous nucleation mechanism of Al by non-stoichiometric TiCx”发表于《Acta Materialia》。这将有助于开发高效的含TiCx晶粒细化剂。

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在引入0.3%Al–5Ti–0.25C的工业纯铝中,检测到与晶粒细化剂中相同的Al/TiCx取向关系,表明合金中也可能存在界面过渡层诱导的晶粒细化机制。根据热力学计算,在720 °C保温期间,x<0.92的TiCx首先将Ti释放到Al熔体中,有助于含Ti界面过渡层的形成。

随着Ti的释放,C/Ti比(即x值)增加,反而降低了Ti释放能力,并导致晶粒细化逐渐衰退,这可能是由于游离Ti降低了富Ti区(TiCx颗粒周围)到Al熔液的Ti扩散,从而抑制了对界面过渡层的破坏。当x=0.92时,Ti释放性能消失。

该研究为Al–Ti–C精炼铝的晶粒细化机制提供了新的思路,并为开发高效的含TiCx晶粒细化剂奠定了基础。

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