合金的晶粒細化對提高合金強塑性、改善鑄造質(zhì)量、提升綜合質(zhì)量等具有重要意義。然而，當傳統(tǒng)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(fā)生Si/Zr致細化“中毒”現(xiàn)象。Si/Zr致細化“中毒”是鋁加工業(yè)亟待解決的難題，嚴重制約高強鋁合金的發(fā)展，阻礙航空航天、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域高端裝備的輕量化發(fā)展，成為鋁加工業(yè)轉(zhuǎn)型升級和高質(zhì)量發(fā)展的“痛點”。

山東大學(xué)劉相法教授團隊致力于攻克該難題，經(jīng)過十多年的系統(tǒng)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(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)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(nèi)有大量細小均勻彌散的TCB復(fù)合體，該復(fù)合體由B摻雜型TiC(B-TiC)和C摻雜型TiB2(C-TiB2)構(gòu)成。在鋁熔體特別是鋁硅熔體中，TCB復(fù)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(shù)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(jié)構(gòu)，仍是α-Al的有效形核襯底。

相關(guān)成果以“An anti Si/Zr-poisoning strategy of Al grain refinement by the evolving effect of doped complex”為題發(fā)表在金屬材料領(lǐng)域頂級期刊《Acta Materialia》。論文第一作者為山東大學(xué)李道秀博士生，通訊作者為南京理工大學(xué)聶金鳳教授（個人鏈接：Jinfeng Nie(njust.edu.cn)）、山東大學(xué)劉相法教授（課題組鏈接：納米晶種材料創(chuàng)新工作室(nfalloys.com)）和山東大學(xué)劉思達研究員（個人鏈接：https://faculty.sdu.edu.cn/liusida/zh_CN/）。

論文鏈接：

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(nèi)的TCB復(fù)合體細小均勻彌散，其中TCB復(fù)合體由B摻雜型的TiC和C摻雜型的TiB2構(gòu)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784μm細化至84μm，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402μm細化至63μm。

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(fù)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(fù)合體在Al熔體中的演變。在Al熔體中，TCB復(fù)合體中的B-TiC演變成Al4C3，釋放Ti，提高C-TiB2的數(shù)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(fā)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(chǔ)研究，研究團隊首次提出TCB復(fù)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(fā)展瓶頸提供有效解決策略。該研究對加快鋁加工行業(yè)轉(zhuǎn)型升級和高端裝備制造業(yè)輕量化發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義和重大的戰(zhàn)略價值。