導讀:如何避免特殊元素(如Si、Zr)對α-Al晶粒細化的毒害現象一直是研究關注的焦點。在這項工作中,通過摻雜TCB配合物的演化效應實現了抗Si/ Zr中毒的α-Al晶粒細化,該配合物由b摻雜TiC (B-TiC)和C摻雜TiB2 (C-TiB2)組成。結果表明,TCB配合物中的B-TiC可以釋放Al熔體中的Ti原子,從而產生獨特的C-TiB2粒子。在演化過程中,B-TiC釋放的Ti原子作為溶質,限制了晶粒的生長,促進了α-Al晶粒的細化。此外,密度泛函理論計算表明,C- TiB2內部的C原子有增強C- TiB2 /Al界面粘附能的趨勢,提高了Al- Si合金或Zr -Al合金中α-Al在C- TiB2上的成核能力。TCB配合物可將Al-7Si-0.4Mg和Al-5Cu-0.15Zr的平均晶粒尺寸分別從784±58 μm和402±32 μm細化到84±7 μm和63±4 μm。因此,基于動態演化的TCB配合物協同實現了Al晶粒細化的抗Si/ Zr中毒。這些發現為Al- Si合金或含Zr鋁合金的晶粒細化提供了新的方向,也為進一步研究和開發晶粒細化劑提供了指導。
合金的晶粒細化可以提高合金的強度,改善合金的鑄造質量,近年來得到了廣泛的研究。添加優選的Al-5Ti-1B細化劑可將α-Al粗柱狀晶粒細化為等軸小晶粒,改善澆注性,協同提高強度和塑性。而Al合金中Si含量過高(特別是Al-Si鑄造合金中Si含量超過3.5 wt.%)或Al合金中Zr含量過高,會影響Al- 5Ti - 1b細化劑的晶粒細化性能,即Si/Zr中毒。由于Al-Si合金是重要的鑄造鋁合金,Zr在某些Al-Cu鑄造合金、2xxx合金和7xxx合金中是重要的微量強化元素,其晶粒細化是必要和迫切的。
TiB2顆粒一般不能獨立作為有效的成核底物,需要TiAl3-2DC(二維化合物)在其表面完成α-Al的成核。Si中毒的一個可能原因是Al-5Ti-1B中的Ti和Al-Si合金中的Si反應會在TiAl3表面形成硅化物(Ti-Si或Ti-Al-Si化合物),這些硅化物與α-Al的晶體匹配性較差,削弱了晶粒細化效果。
此外,李教授等人最近報道的一項研究表明,Si中毒是由于Si原子在TiAl3-2DC中大量堆積,阻礙了α-Al的非均相成核。類似地,Zr中毒機制可以認為是Al-Ti-B精煉液中Al3Ti-2DC在TiB2(0001)表面的溶解,以及Al-Zr熔體中TiB2基面上的Ti2Zr-2DC的形成。此時,避免Si/Zr在TiB2表面富集形成化合物,保證TiAl3-2DC的形成至關重要。因此,以Al-Si合金和含Zr Al合金為代表的克服Si/ Zr中毒的新策略,是晶粒細化企業取得突破的關鍵方向。人們為克服硅中毒作了許多努力,并研制出了一系列谷物精制機。自1981年以來,Al-B母合金可以有效減小Al-Si合金的晶粒尺寸。
但Al-B晶粒細化劑對含Ti/ Zr的Al-Si合金有毒害作用,當Al-Si熔體中Sr和B含量超過一定限度時,共晶Si的改性將失效。長期以來,具有有效抗硅中毒作用的谷物精煉機一直沒有取得重大進展。直到2009年,Al-Ti-B-C中間合金被開發出來,有效地細化了Al-Si合金的晶粒尺寸,提高了其力學性能。2015年,研究發現Al-Nb-B對硅中毒有一定的克服能力。到2020年,Al-Ti-Nb-B和Al-V-B得到進一步開發,表現出較好的抗Si中毒能力。但晶粒細化機中的VB2和NbB2顆粒通常粒徑和密度較大,容易團聚沉降到Al熔體底部,導致晶粒細化褪色現象嚴重。此外,為了獲得更細的晶粒,必須增加上述晶粒細化劑的添加量,影響鋁熔體的澆注性,增加工業成本。迄今為止,報道的具有抗Zr中毒能力的晶粒細化劑只有Al-Ti-C(1985年開發)和Al-5Ti-0.2C-0.3B(2009年報道),其抗Zr中毒機制尚未深入闡明。隨著保溫時間的延長,有效TiC基體在Al熔體中逐漸演化為Al4C3,細化晶粒效果減弱。此外,TiC顆粒在溫度低于850℃的Al-Si熔體中更不穩定,容易演化為Al4C3。因此,Al- Ti -C合金不能有效穩定地細化Al- Si和Zr鋁合金的晶粒。
綜上所述,目前唯一能同時抵抗Si中毒和Zr中毒的潛在晶粒細化劑是Al-Ti-C-B合金,也更有希望解決晶粒細化中毒問題。山東大學劉相法教授團隊對此進行了研究,利用新型Al-Ti-C-B中間合金成功地解決了α-Al晶粒細化過程中的Si/ Zr中毒問題。根據一系列實驗表征和密度泛函理論(DFT)計算結果,提出了一種基于摻b TiC和摻C TiB2組成的摻TCB配合物演化效應的新型抗Si/ Zr中毒細化機制。本研究為設計更高效的晶粒細化器以及Al- Si合金和Zr - Al合金的材料升級提供了方法和指導。
相關研究成果以題為“An anti Si/Zr-poisoning strategy of Al grain refinement by the evolving effect of doped Complex”發表在期刊Acta Materialia上。
鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135964542300143X
圖1所示:(a) Al-TCB主合金的滾絲制品。(b) Al-TCB棒材縱斷面顆粒分布。(C) Al-TCB中間合金的三維顯微組織,其中α-Al為藍色,顆粒為紅色。(d) Al-TCB主合金中顆粒的三維分布。(e) Al-TCB中間合金中顆粒尺寸的統計結果。(f) Al-TCB主合金中提取顆粒的XRD譜圖。(g-i)顯示Al-TCB主合金中顆粒形態的典型SEM圖像和顯示元素分布的相應EDS和EPMA圖像。
圖2所示:(a - c) Al-7Si-0.4Mg合金的晶粒組織:(a)無晶粒細化劑;(b) 0.5 wt.% Al-5Ti-1B;(C)含0.1 wt.% Al-TCB。(d - f)在720℃下添加0.1 wt.% Al-TCB后不同保溫時間Al-7Si-0.4Mg合金的晶粒結構:(d)保溫60 min;(e)保持120分鐘;(f)保溫180 min。(g - i) Al-5Cu-0.15Zr合金的晶粒組織:(g)未加晶粒細化劑;(h) 0.5 wt.% Al-5Ti-1B;(i)含0.5 wt.% Al-TCB。
圖3所示:(a) Al-7Si(-0.4Mg)合金晶粒細化劑的細化性能比較。(b)添加和不添加Al-TCB時Al-7Si-0.4Mg合金的典型工程應變-應力曲線和室溫拉伸性能。(C)添加和不添加Al-TCB的Al-5Cu-0.4Mn-0.2Ti-0.15Zr合金的典型工程應變-應力曲線和室溫拉伸性能。
圖4所示:(a-a2) Al-TCB主合金接種Al-Si鑄錠中分別含有C-TiB2和Al4C3和(b-b2) C-TiB2底物的代表性組織。(C-C2)在Al-TCB主合金接種的Al-Cu-Zr錠中分別含有TCB配合物和(d-d2) C-TiB2底物的代表性組織。
圖5所示:(a)典型的C-TiB2形核底物,α-Al晶粒中心為Al4C3。(b) (a)中有核基底的放大圖像。(C) (b)中黃色虛線所示的成核粒子的HAADF圖像。(d1-d4)與(C)相關的Al、Ti、C、B元素的EDS映射。(e) (C)中“1-3”點的EDS分析和元素組成。(f) Al4C3中心b - TiC粒子的HAADF圖像。(g)演化B-TiC的原子分辨率HAADF圖像。(h)顯示B-TiC和Al4C3界面上元素組成剖面的EDS線罐圖。
圖6所示:(a) Al-Cu-Zr合金中TCB配合物成核底物的HAADF圖像,(b1-b6) (a)中黃色矩形區域的EDS映射。(C)位于(a)中紅色矩形位置的B-TiC和C- TiB2界面的HAADF圖像,(d1-d6)原子分辨率HAADF圖像以及B-TiC和C- TiB2對應的EDS映射。
圖7所示:b - TiC和C-TiB2具有平行或的平面的原子構型:(a) b - TiC (111), (b) C-TiB2(0001)。
圖8所示:(a1-a6) Al- TCB母合金接種Al-Si鑄錠中成核粒子Al、Ti、C、B、Si元素的HAADF-STEM圖像及相應的EDS映射。(b) (a1)中紅框區域的SAED圖形。(C) OR示意圖:C - TiB2[] // Al[], C - TiB2 (0001) // Al(111), C - TiB2() 3°, Al(002)。(d, e) Al/C-TiB2界面的原子分辨率HRTEM圖像,分別為[]C-TiB2和[]Al區軸。
圖9所示:(a)不同位置摻雜C原子的端鈦C- TiB2襯底和(b)相應基態總能量的變化。(C) b端C - TiB2底物和(d)不同C摻雜位置對應的基態總能的變化。(1C表示碳原子濃度較低,2C表示碳原子含量較高)。
圖10所示:(a-C) Al-TCB-7Si的微觀結構,顯示顆粒的分布和形貌。(d1-d5)從TCB絡合物演化而來的C-TiB2粒子的形態和EPMA映射。(e)鋁熔體中TCB絡合物的演化過程示意圖。
圖11所示:(a)原子分辨率HAADF圖像,顯示C-TiB2/α-Al界面的原子結構和相應的EDS映射。(b)圖11a放大圖。(C) C和Si在C - TiB2 /α-Al界面的EDS線掃描圖譜。經Al-TCB合金接種的Al-Si鑄錠中,C-TiB2襯底位于α-Al晶粒中心。
圖12所示:Si在TiB2/Al界面和C-TiB2/Al界面吸附傾向的研究:(a) TiB2/Al界面和(b) C-TiB2/Al界面分別吸附Si的模型。(C)上述兩個界面κSi(CSi)隨CSi的變化。
圖13所示:(a)顯示C-TiB2/α-Al界面原子結構的原子分辨率HAADF圖像。(b) C、Cu、Zr在C- TiB2/α-Al界面的EDS線掃描圖譜及其對應的(C1-C6)映射。經Al-TCB主合金接種的Al-Cu-Zr錠中,C-TiB2襯底位于α-Al晶粒中心。
圖14所示:TiB2/Al和C-TiB2/Al界面抗Zr中毒能力的研究:(a) TiB2/Al和(b) Zr原子摻雜的C-TiB2/Al界面模型。(C)上述兩個界面中Wad隨CZr的變化。
本研究采用摻雜TCB配合物的新型Al-TCB中間合金,對Al-7Si-0.4Mg和Al-5Cu-0.15Zr合金進行了細化。經試驗證明,該材料在晶粒細化性能和抗Si/ Zr中毒能力方面具有顯著優勢。在實驗和從頭算的基礎上,探索了TCB配合物的高效晶粒細化和協同抗Si/ Zr中毒機理,得到了以下結論:
(1)TCB配合物由B-TiC和C-TiB2組成,均勻分布在Al-TCB中間合金中。以0.1 wt.% Al-TCB為主合金接種后,Al-7Si-0.4Mg晶粒平均細化到85 μm左右,且在超長保溫時間180 min后仍能保持良好的晶粒細化性能,具有較好的抗褪色能力。加入0.5 wt.% Al-TCB合金后,Al-5Cu-0.15Zr的平均晶粒尺寸細化到63±4 μm。
(2)在Al- Si熔體中或在其他Al熔體中長期持有,TCB配合物會逐漸演化為C-TiB2和Al4C3。B-TiC釋放的多余Ti原子有助于C-TiB2上α-Al的成核,提高生長限制因子的值。演化過程促進了C-TiB2粒子的再生,C-TiB2粒子是α-Al晶粒直接高效成核底物。TCB配合物獨特的原位演化效應使晶粒得到有效細化,避免了Si/ Zr中毒。
(3)DFT計算表明,C原子傾向于分布在TiB2的表面附近,并且比內部摻雜的C原子在能量上更有利。C在C- TiB2中的摻雜增強了與Al的界面化學親和力,從而使晶粒得到更好的細化。C- TiB2可以作為α-Al的有效形核底物,兩者之間具有合適的取向關系,其中C- TiB2 // Al, C-TiB2(0001) // Al(111), C-TiB23°與Al(002) 。
(4)由于C在TiB2中的摻雜,κSi(CSi)速率隨CSi的增加而緩慢增加,導致Al-Si熔體中C-TiB2/Al界面Si原子的積累減少。Wad(cZr)越高,表明C-TiB2/Al界面鍵合越強,α-Al在含Zr鋁熔體中的成核能力越強,從而抑制了C-TiB2與Al界面處Si/Zr原子的偏析,實現了協同抗Si/Zr中毒能力。
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