基于Al與TiCx晶格參數(shù)的差異

獲得均勻細(xì)小的等軸晶組織是提升鋁合金加工及力學(xué)性能、消除鑄造缺陷的有效途徑，但傳統(tǒng)晶粒細(xì)化劑（如AlTiB）用于含Zr等元素的高強(qiáng)及超高強(qiáng)鋁合金存在細(xì)化“中毒”現(xiàn)象，已成為高端鋁合金材料發(fā)展的“堵點(diǎn)”。通過添加晶種合金，引入高效精準(zhǔn)的晶種作為異質(zhì)形核襯底來實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化是破解鋁行業(yè)“堵點(diǎn)”的重要手段。TiCx被公認(rèn)為是一種有效的鋁合金形核劑，而B摻雜型TiCx（TCB）更是一種高效的鋁合金形核晶種。研制高效、穩(wěn)定、抗Zr（Si）致細(xì)化“中毒”的鋁合金超級晶粒細(xì)化劑——晶種合金，一直是鋁工業(yè)界追求的目標(biāo)，但由于對TiCx促進(jìn)α-Al形核的科學(xué)機(jī)理尚不清楚，使上述研究未能取得實(shí)質(zhì)性和突破性進(jìn)展。 山東大學(xué)劉相法教授團(tuán)隊(duì)在此領(lǐng)域開展了十多年系統(tǒng)研究，在TiCx對α-Al形核機(jī)理與摻雜型晶種應(yīng)用研究方面取得雙突破。近期與南京理工大學(xué)等單位開展聯(lián)合研究，在TiCx對α-Al形核機(jī)理的研究方面取得以下重要進(jìn)展：

發(fā)現(xiàn)異質(zhì)形核襯底TiCx與α-Al間獨(dú)特的晶體學(xué)位向關(guān)系：[011]Al//[011]TiCx，(1-11)[011]Al與(1-11)[011]TiCx呈21°夾角，該夾角的形成從理論上縮小了Al與TiCx晶格參數(shù)的差異，提高了晶格匹配度。

從原子尺度上揭示TiCx與α-Al之間的富Ti過渡層，闡明其可以有效降低界面錯配度，是TiCx發(fā)揮α-Al形核襯底作用的關(guān)鍵。

通過熱力學(xué)計(jì)算結(jié)合第一性原理手段，首次提出TiCx與Al界面處富Ti過渡層的形成條件及關(guān)鍵閾值x，TiCx作為一種非化學(xué)計(jì)量比的化合物，在720℃的鋁熔體中，當(dāng)x＜0.92時，TiCx能夠不斷地向鋁熔體中釋放Ti，從而使α-Al與TiCx之間形成富Ti過渡層，x越小，釋放Ti的熱力學(xué)驅(qū)動力越大，TiCx的形核潛力越大。

圖1Al–5Ti–0.25C細(xì)化劑中Al/TiCx的位向關(guān)系表征。表明Al與TiCx具有如下位向關(guān)系：[011]Al//[011]TiCx，(1-11)[011]Al與(1-11)[011]TiCx呈21°夾角。將0.3%Al–5Ti–0.25C細(xì)化劑加入到工業(yè)純鋁中，也發(fā)現(xiàn)了相同的位向關(guān)系（圖2）。

圖2 0.3% Al–5Ti–0.25C細(xì)化后的工業(yè)純Al中Al/TiCx的位向關(guān)系表征。

圖3 Al–5Ti–0.25C細(xì)化劑中Al/TiCx的界面表征。表明Al與TiCx之間有一層含Ti過渡層（Layer 1）。

圖4 Al/TiCx界面結(jié)構(gòu)的第一性原理原子尺度計(jì)算。界面處不含Ti時，Ti1a層的晶格畸變?yōu)椤?.1%；界面含Ti時，則降低為-0.19%和+0.22%。表明界面處Ti元素的存在能夠有效降低界面錯配度。

圖5 TiCx在720℃鋁熔體中演變的熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果（(0.47≤x＜y≤0.98)）。表明x＜0.92時，TiCx具有向鋁熔體中釋放Ti的熱力學(xué)驅(qū)動力，x越小，驅(qū)動力越大。

圖6TiCx粒子表面元素種類和含量的XPS分析結(jié)果。隨TiCx在鋁熔體中保溫時間的延長，其表面摻雜的Al原子逐漸增多，Ti原子逐漸減少，從動力學(xué)角度闡明了TiCx可以向鋁熔體中釋放Ti。

基于相關(guān)基礎(chǔ)研究，經(jīng)過持續(xù)創(chuàng)新和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，研究團(tuán)隊(duì)在摻雜型TCB-Al晶種合金及其熔體處理新技術(shù)方面取得了重要突破。不僅從根本上破解了Zr致細(xì)化“中毒”堵點(diǎn)，而且徹底消除了Si致細(xì)化“中毒”難題。為超高強(qiáng)變形鋁合金和高端鑄造鋁合金及其加工技術(shù)的發(fā)展提供了有效“抓手”。相關(guān)技術(shù)獲授權(quán)國家發(fā)明專利8項(xiàng)，申請國際發(fā)明專利1項(xiàng)，主持制定國家團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)，注冊商標(biāo)權(quán)1件；獲山東省技術(shù)發(fā)明一等獎1項(xiàng)。創(chuàng)新產(chǎn)品及應(yīng)用技術(shù)在上市較短時間內(nèi)，已在國內(nèi)外60余家先進(jìn)鋁加工企業(yè)推廣應(yīng)用，其中包括多家行業(yè)領(lǐng)先的國際公司。