微米和纳米科技材料

重大突破!铝合金异相成核机理及种子技术的新认识

获得均匀细小的等轴晶组织是提升铝合金加工及力学性能、消除铸造缺陷的有效途径,但传统晶粒细化剂(如AlTiB)用于含Zr等元素的高强及超高强铝合金存在细化“中毒”现象,已成为高端铝合金材料发展的“堵点”。通过添加晶种合金,引入高效精准的晶种作为异质形核衬底来实现晶粒细化是破解铝行业“堵点”的重要手段。TiCx被公认为是一种有效的铝合金形核剂,而B掺杂型TiCx(TCB)更是一种高效的铝合金形核晶种。研制高效、稳定、抗Zr(Si)致细化“中毒”的铝合金超级晶粒细化剂——晶种合金,一直是铝工业界追求的目标,但由于对TiCx促进α-Al形核的科学机理尚不清楚,使上述研究未能取得实质性和突破性进展。

山东大学刘相法教授团队在此领域开展了十多年系统研究,在TiCx对α-Al形核机理与掺杂型晶种应用研究方面取得双突破。近期与南京理工大学等单位开展联合研究,在TiCx对α-Al形核机理的研究方面取得以下重要进展:

  • 发现异质形核衬底TiCx与α-Al间独特的晶体学位向关系:[011]Al//[011]TiCx,(1-11)[011]Al与(1-11)[011]TiCx呈21°夹角,该夹角的形成从理论上缩小了Al与TiCx晶格参数的差异,提高了晶格匹配度。
  • 从原子尺度上揭示TiCx与α-Al之间的富Ti过渡层,阐明其可以有效降低界面错配度,是TiCx发挥α-Al形核衬底作用的关键。
  • 通过热力学计算结合第一性原理手段,首次提出TiCx与Al界面处富Ti过渡层的形成条件及关键阈值x,TiCx作为一种非化学计量比的化合物,在720℃的铝熔体中,当x<0.92时,TiCx能够不断地向铝熔体中释放Ti,从而使α-Al与TiCx之间形成富Ti过渡层,x越小,释放Ti的热力学驱动力越大,TiCx的形核潜力越大。

相关成果以“A new inSight into heterogeneous nucleation mechanism of Al by non-stoichiometric TiCx”为题发表在金属材料领域顶级期刊《Acta Materialia》。山东大学杨化冰博士(现齐鲁工业大学(山东省科学院)新材料研究所助理研究员)为论文第一作者,南京理工大学聂金凤副教授和山东大学刘相法教授为论文通讯作者。

论文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645422003585

图1Al–5Ti–0.25C细化剂中Al/TiCx的位向关系表征。表明Al与TiCx具有如下位向关系:[011]Al//[011]TiCx,(1-11)[011]Al与(1-11)[011]TiCx呈21°夹角。将0.3%Al–5Ti–0.25C细化剂加入到工业纯铝中,也发现了相同的位向关系(图2)。

图2 0.3% Al–5Ti–0.25C细化后的工业纯Al中Al/TiCx的位向关系表征。

图3 Al–5Ti–0.25C细化剂中Al/TiCx的界面表征。表明Al与TiCx之间有一层含Ti过渡层(Layer 1)。

图4 Al/TiCx界面结构的第一性原理原子尺度计算。界面处不含Ti时,Ti1a层的晶格畸变为±1.1%;界面含Ti时,则降低为-0.19%和+0.22%。表明界面处Ti元素的存在能够有效降低界面错配度。

图5 TiCx在720℃铝熔体中演变的热力学计算结果((0.47≤x<y≤0.98))。表明x<0.92时,TiCx具有向铝熔体中释放Ti的热力学驱动力,x越小,驱动力越大。

图6TiCx粒子表面元素种类和含量的XPS分析结果。随TiCx在铝熔体中保温时间的延长,其表面掺杂的Al原子逐渐增多,Ti原子逐渐减少,从动力学角度阐明了TiCx可以向铝熔体中释放Ti。

基于相关基础研究,经过持续创新和关键技术攻关,研究团队在掺杂型TCB-Al晶种合金及其熔体处理新技术方面取得了重要突破。不仅从根本上破解了Zr致细化“中毒”堵点,而且彻底消除了Si致细化“中毒”难题。为超高强变形铝合金和高端铸造铝合金及其加工技术的发展提供了有效“抓手”。相关技术获授权国家发明专利8项,申请国际发明专利1项,主持制定国家团体标准1项,注册商标权1件;获山东省技术发明一等奖1项。创新产品及应用技术在上市较短时间内,已在国内外60余家先进铝加工企业推广应用,其中包括多家行业领先的国际公司。

图7 与TCB-Al晶种合金应用技术相关的国家团体标准等有关文件及其产品

致谢:本工作得到了国家自然科学基金重点项目(No. 51731007)和国家自然科学基金(No. 52071189、No. 52071179和No.52171182)的支持和资助。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。欢迎转载请联系,未经许可谢绝转载至其他网站。

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