鑽石舞台

導讀：凝固過程中鋁和鋁合金的晶粒細化仍然是一項長期挑戰。本文報告了一種通過瞬時原位形成具有集中尺寸分布的納米粒子來有效細化晶粒的策略。採用該策略和傳統的精煉方法（將Al-Ti-B合金添加到Al熔體中）分別對Al-Zn-Mg-Cu合金和工業純Al進行了精煉，實驗和數值結果表明TiB 2納米粒子在原位過程中瞬間在鋁熔體中形成細化過程。與傳統的細化處理方法相比，新方法不僅可以促進形核位點和縮小其尺寸分布，而且極大地減弱了異質形核位點的團聚和沉降。它表現出更好的晶粒細化能力，抑制了晶粒細化效率的下降。這種方法不僅對Al合金的晶粒細化具有廣闊的應用前景，而且對於鋼、鎂、銅等其他合金體系的晶粒細化也具有廣闊的應用前景。

晶粒細化不僅對減少合金鑄件的偏析和熱裂等缺陷至關重要，而且對改善合金鑄件的力學性能也很重要。因此，精細的等軸晶粒組織一直是鋁合金鑄造行業追求的目標之一。為了實現α-Al晶粒的細化，一些技術，例如化學孕育、微合金化、電流、電磁攪拌、超聲振動等，目前已開發完成。其中化學孕育工藝簡單，精煉效果好，是工業生產中應用最廣泛的技術。中國科學技術大學在這項工作中提出了一種通過原位形成異質成核位點來有效細化晶粒的方法。它不僅增加了潛在異質成核位點的數量密度，而且縮小了它們的尺寸分布，極大地減弱了成核位點的團聚和沉降。Al-Zn-Mg-Cu合金和工業純鋁均採用原位精煉策略和傳統精煉方法進行精煉。

在目前的工作中，我們報道了一種通過在熔體中原位瞬時形成豐富的二硼化鈦納米粒子來有效細化鋁合金晶粒尺寸的通用方法（這種方法將被稱為「原位細化」在下文中）。這種方法不僅增加了熔體中二硼化鈦顆粒的數量密度，縮小了它們的尺寸分布，而且極大地減弱了二硼化鈦顆粒的團聚和沉降。採用這種新策略和傳統的細化方法（添加晶粒細化劑，通常是 Al-5Ti-1B 中間合金）分別對 Al-Zn-Mg-Cu 合金和工業純鋁進行了細化，結果表明所提出的方法表現出更好的晶粒細化能力，原位細化方法的有效性得到了很好的驗證。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030222002869

傳統精煉方法的實驗步驟如下：溫度為工業純Al或Al-6.9Zn-2.7Mg-2.2Cu（質量分數，下同除非另有說明，合金成分由電感耦合法測定）等離子原子發射光譜）合金首先提高到993±5K。然後在熔體中加入不同量的Al-5Ti-1B合金絲（0%、0.2%、0.4%、0.8%、1.6%、2%）。保溫5 min、30 min和60 min後，最後將熔體澆鑄到鐵模中，形成圓柱形形貌試樣，試樣直徑和高度分別為25 mm和60 mm。將熱電偶放置在樣品中心以監測溫度。結果表明合金熔體的平均冷卻速率為~25 K/s。

圖 1。TiB 2納米粒子誘導的原位細化策略示意圖。(a) 實驗方法的示意圖。(b) TiAl 3、TiB 2和AlB 2相在Al熔體中的溶解度積。TiAl 3、TiB 2和AlB 2相在Al熔體中的溶度積單位分別為[%Ti] [ %Al ] 3、[%Ti][%B] 2、[%Al][%B] 2 .

圖 2。(a, b) FESEM微觀結構和 (c)用於傳統細化工藝的 Al-5Ti-1B 合金線材中TiB 2的尺寸分布。

圖 3。未經細化處理的 Al-Zn-Mg-Cu 合金的晶粒結構。

圖2給出了傳統細化工藝中使用的Al-5Ti-1B合金中TiB 2顆粒的顯微組織和尺寸分布。結果表明，TiAl 3和TiB 2少數相，尤其是TiB 2顆粒，易於聚集在一起。TiB 2顆粒的直徑從幾十納米到~2 μm，部分TiB 2顆粒的聚集體尺寸甚至超過5 μm，TiB 2的平均直徑約為0.84 μm（採集的顆粒數用於測量TiB 2的平均直徑約為 200，平均直徑的誤差約為 0.5 μm）。圖2給出了傳統細化工藝中使用的Al-5Ti-1B合金中TiB 2顆粒的顯微組織和尺寸分布。結果表明，TiAl 3和TiB 2少數相，尤其是TiB 2顆粒，易於聚集在一起。TiB 2顆粒的直徑從幾十納米到~2 μm，部分TiB 2顆粒的聚集體尺寸甚至超過5 μm，TiB 2的平均直徑約為0.84 μm（採集的顆粒數用於測量TiB 2的平均直徑約為 200，平均直徑的誤差約為 0.5 μm）。

圖 4。(a) 0.2% Al-5Ti-1B 合金、(b) 0.4% Al-5Ti-1B 合金、(c) 0.8% Al-5Ti-1B 合金、(d) 2% Al-5Ti-1B 合金的晶粒形貌, 和 (e) 採用不同添加量的 Al-5Ti-1B 合金的傳統細化策略加工的 Al-Zn-Mg-Cu 合金的 α-Al 晶粒的平均尺寸。保持時間為 5 分鐘。

圖 5。保溫時間對0.4% Al-5Ti-1B合金傳統細化策略加工Al-Zn-Mg-Cu合金晶粒形貌(a, c, e)和尺寸分布(b, d, f)的影響. (a, b) 保持時間為 5 分鐘；(c, d) 保持時間為 30 分鐘；(e, f) 保持時間為 60 分鐘。圖 5 (a)、(c) 和 (e)採集的晶粒數分別為 186、133 和 125。圖 5 (a)、(c) 和 (e) 的平均晶粒尺寸誤差分別為28.3、34.1 和 37.3 微米。

圖 6。保溫時間對2% Al-5Ti-1B合金傳統細化策略加工Al-Zn-Mg-Cu合金晶粒形貌的影響。(a) 保持時間為 30 分鐘；(b) 保持時間為 60 分鐘。

圖 5顯示了保溫時間對採用 0.4% Al-5Ti-1B 合金的傳統細化策略加工的 Al-Zn-Mg-Cu 合金的晶粒形貌和尺寸分布的影響。結果表明，晶粒細化效率隨保溫時間而下降，平均晶粒尺寸在保溫時間為5 min時為~65.7 μm，在保溫時間為60 min時達到87.6 μm，增加了約33.3%。

圖 7。原位細化策略加工的Al-Zn-Mg-Cu合金的晶粒形貌(a, c, e)和尺寸分布(b, d, f) 。(a, b) 保持時間為 5 分鐘；(c, d) 保持時間為 30 分鐘；(e, f) 保持時間為 60 分鐘。平均晶粒尺寸和晶粒尺寸分布寬度隨保溫時間略有增加。圖 7 (a)、(c) 和 (e)採集的晶粒數分別為 476、409 和 384。圖 7 (a)、(c) 和 (e) 的平均晶粒尺寸誤差分別為20.4、20.6 和 17.2 微米。

圖 6顯示了保溫時間對採用 2% Al-5Ti-1B 合金的傳統細化策略加工的 Al-Zn-Mg-Cu 合金的晶粒形貌和尺寸分布的影響。當保溫時間為 30 和 60 分鐘時，平均晶粒尺寸約為 80.0 和 119.9 μm。結果還表明，在傳統細化過程中，隨着保持時間的延長，晶粒細化效率會顯着下降。

圖 7顯示了原位細化策略處理的 Al-Zn-Mg-Cu 合金的晶粒形貌和尺寸分布。可以發現，與傳統的細化方法相比，原位細化策略進一步促進了平均晶粒尺寸的減小，縮小了晶粒尺寸分布。當保溫時間為 5 min 時，α-Al 晶粒的平均尺寸減小到 37.6 μm。雖然 α-Al 晶粒的平均尺寸也隨着保溫時間的增加而增加，但保溫時間為 60 min 時僅增加至 44.7 μm，僅增加了 18.9%，表明原位細化策略不僅大大提高了晶粒細化性能，而且減弱了細化效率的下降。這些結果進一步證實了原位精煉方法對鋁和鋁合金材料的普遍性。

圖 8 (a) 和 (b) 分別說明了傳統精煉方法和原位精煉策略處理的工業純鋁的微觀結構。這表明通過傳統精煉方法精煉的工業純鋁晶粒粗大，平均晶粒尺寸為~98.4μm。相比之下，α-Al 的平均晶粒尺寸僅為 68 μm。結果進一步驗證了原位細化方法的普遍性。

圖 8。採用傳統精煉方法和原位精煉策略處理的工業純鋁微結構。(a) 採用傳統精製方法接種的工業純鋁和 (b) 採用原位精製策略處理的工業純鋁的晶粒形態。(c)原位精煉工業純鋁中TiB 2顆粒的TEM圖像。(d) TiB 2粒子的SAED圖案。

圖 9。0.4%Al-5Ti-1B合金孕育Al-Zn-Mg-Cu合金傳統細化過程中TiB 2顆粒的動力學行為。(a) 保持時間對TiB 2顆粒尺寸分布的影響。(b)保持時間對TiB 2粒子的個數密度和平均尺寸的影響。精煉劑的添加量為0.4%。

圖 10。0.4%Al-5Ti-1B合金孕育Al-Zn-Mg-Cu合金傳統細化過程模擬晶粒形貌演變。(a) 固體分數為 3.0%。(b) 固體分數為 20.0%。(c) 固體分數為 90.0%。(d) (c) 所示切片中的二維 (2D) 晶粒形態。保持時間為 5 分鐘。計算尺寸為 900 μm × 900 μm × 900 μm。

圖 11。(a) TiB 2粒子的過飽和度、驅動力和成核率的時間依賴性。(b) TiB 2粒子的平均半徑和數量密度的時間依賴性。(c) 不同保持時間的TiB 2粒度分布。

圖 12。原位細化處理Al-Zn-Mg-Cu合金的模擬晶粒形貌演變。(a) 固體分數為 3.0%。(b) 固體分數為 20.0%。(c) 固體分數為 90.0%。(d) (c) 所示切片中的二維 (2D) 晶粒形態。保持時間為 5 分鐘。計算尺寸為 900 μm × 900 μm × 900 μm。

圖 13。TiB 2顆粒Stokes沉降速度與顆粒半徑，不同半徑TiB 2顆粒Stokes沉降距離與保持時間的關係。對於半徑小於1 μm的TiB 2顆粒，Stokes沉降速度和沉降距離均不明顯。

總之，實驗結果和數值研究表明，TiB 2納米粒子在原位過程中瞬間在Al熔體中形成。細化過程。與傳統的細化處理方法相比，所提出的方法導致α-Al晶粒形核前潛在形核位點的數量密度更高，尺寸分布寬度更窄，從而提高了晶粒細化效率。此外，原位TiB 2納米粒子的生長/粗化和沉降非常緩慢，這有助於抑制晶粒細化效率的下降。這種方法可以擴展到其他金屬材料的有效晶粒細化。