Al-Si鑄造合金以其優异的鑄造效能和出色的强度重量比,在汽車和航空航太工業中廣泛應用。晶粒細化不僅可以產生更多等軸晶結構,而且可以改善鋁液流動性,减少鑄造缺陷,是提高資料綜合效能的關鍵手段。通過加入Al-Ti-B、Al-Ti-C等細化劑實現晶粒細化是最為常見的做法,也由此帶動了Al中間合金產業的發展。隨著這些細化劑的推廣使用,人們發現Si元素會削弱其細化作用,即所謂的“中毒”現象。由此,抗Si毒化的Al-Nb-B細化劑成為熱點,但其在製備與使用方面存在粒子沉降速率快、成本高等諸多問題,並且其細化與抗Si毒化機制尚不清楚。
河北科技大學聯合北京科技大學、清華大學等研究團隊,通過在Al-Nb-B中加入Ti,調控製備出富含“三明治”結構(Nb,Ti)B2顆粒的Al-Nb-Ti-B中間合金。測試、計算表明,該結構有效降低了Si原子的吸附傾向,提高了與Al原子的結合强度,同時(Nb,Ti)B2襯底與Al的晶格失配降低,這些因素共同决定了(Nb,Ti)B2在Si含量較高時仍具有良好的晶粒細化能力。該研究為調控製備多結構Ni-Ti硼化物顆粒,以設計新型的抗Si毒化晶粒細化劑提供了新的思路,對促進相應中間合金製品的研發有重要意義。相關論文以題為“Revealing the mechanism of grain refinement and anti Si-poisoning induced by(Nb,Ti)B2with a sandwich-like structure”發表在Acta Materialia上。河北科大蘇孺,北科王沿東,清華荊濤為該文章共同通訊作者,青年教師吳大勇,博士麻思達為共同第一作者。
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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645421006455
現時,在保證Al-Nb-B基中間合金抗矽毒效能的同時,進一步提高其晶粒細化效果是推動其在Al-Si鑄造合金中工業化應用的當務之急。本工作通過加入Ti調控製備了三明治結構的(Nb,Ti)B2,在緩解沉降,降低成本方面有著重要意義,同時完善了多相顆粒形成、抗Si毒化與細化機制,以促進新產品的研發。
圖1(a)Al-3.5Nb-1B和Al-3.5Nb-1B-1Ti中間合金的XRD圖譜。(b)Al-3.5Nb-1B-1Ti典型顯微組織與顆粒統計。(c)局部顆粒形貌SEM影像。(d)元素面分佈的EMPA結果。
圖2.(a)Ti改性NbB2顆粒的TEM照片及選取區域對應的FFT;(b)顆粒的STEM-HAADF照片及其(c)元素面分佈;(d)L1、L2和L3亮度强度分析。
圖3.(a)(0001)(Ti,Nb)B2/Al介面結構及對應的FFT.(b)介面結構的高分辨STEM照片.(c)R1選區及L線的元素分佈.
圖4.(a)(0001)(Nb,Ti)B2/Al介面的結構模型;(b)介面結構的HAADF類比與實驗對比;(c)圖(b)中亮度的線(L1,L2,L3)分析.
利用STEM/EDS,可以發現在(-1100)(0001)面均有Nbrich殼層,並且(0001)殼層厚度遠大於2DC(112)Al3M到硼化物面間離。此外,通過對亮度峰值分析,在(-1100)NbB2上形成的(0001)Ti層上幾乎沒有Nbrich殼層。這種不連續出現表明Nb層中的Nb原子不是來熔體,而是來自NbB2顆粒。HRSTEM與元素面分佈說明襯底的最外層對應於二硼化物結構,並確定最外面的二硼化物結構為NbrichB2殼。基於此,(0001)(Nb,Ti)B2襯底表面可概括為三明治狀結構:最外層為NbrichB2殼層,中間為TirichB2區,初始襯底為NbB2。結合STEM類比,確定了Al3M結構的存在,位向關係為(0001)[11-20](Nb,Ti)B2//[-201](112)Al3(Nb,Ti)// [1-10](111)α-Al.
圖5.(a)(0001)(Nb,Ti)B2表面重構引起的能量變化(表面模型-0至-4);(b1)-(b5)中的數位為終端Ti和Nb的Bader電荷。(c)表面模型-0至-4沿z方向的平面平均靜電勢。
圖6.TiB2端面和NbB2端面在(0001)(Nb,Ti)B2/Al介面的Si吸附傾向分析。
結合DFT計算,分析了(Nb,Ti)B2特徵結構的形成機制,並進一步揭示了NbrichB2殼層的存在降低了Si吸附傾向,提高了與Al的化學親和力,同時TirichB2區的形成降低了(Nb,Ti)B2/Al介面的晶格失配,從而保證了其在抗Si毒化的同時兼具高效的細化效果。綜上,本工作調控製備了帶有夾心結構的(Nb,Ti)B2,並在實驗與理論上證實了其優异性,對設計新型的抗Si毒化晶粒細化劑提供了新的思路。
圖7.圖片摘要
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