吉林大学《JMST》：一种细化剂与亚快速凝固协同作用促进Al-Mn-Si合金显著晶粒细化

第一作者：韦永思；通讯作者：王珵

通讯单位：吉林大学南岭校区材料科学与工程学院

DOI: 10.1016/j.jmst.2023.11.025

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本文通过添加Al-5Ti-1B晶粒细化剂并结合亚快速凝固技术，实现了Al-Mn-Si系合金凝固组织由粗大柱状晶向细小等轴晶的转变，使基体平均晶粒尺寸由毫米级降低至73 mm 。揭示出亚快速凝固高冷却速率有效增加了熔体的总过冷度，使大量TiB2核心激活作为α-Al的形核位点。这一成果为理解形核效率与冷却条件之间的复杂关系提供了见解，有效指导了3xxx系铝合金的等轴晶细化调控。

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研究背景

亚快速凝固工艺（冷却速率102–103 K/s），如金属型激冷、双辊铸轧等，已成功应用于金属制造，有助于提高溶质固溶度和改善力学性能。然而，亚快速凝固铝合金面临的关键技术问题之一：是高温度梯度下形成粗大的柱状晶体，导致铸件质量大幅降低。为了解决这一问题，研究人员不断设计异质核心结构并将其引入熔体中，最终获得尺寸细小的等轴晶粒，消除或减弱粗大柱状晶带来的负面效应。因此合理的利用异质核心，实现亚快速凝固合金晶粒形貌等轴化和尺寸细化是铝合金领域的研究热点之一。值得注意的是，α-Al能否通过异质核心有效形核取决于冷却条件。含TiB2的Al-5Ti-1B是铝合金熔体中常见的晶粒细化剂之一。已有报道证实，传统凝固（冷却速率：~1 K/s）过程，有效TiB2核心的数量较少，而在高冷却速率（超过1000 K/s）下，超过25%的TiB2颗粒被激活，可作为异质核心细化基体晶粒，使α-Al形核效率显著增加。然而在亚快速凝固冷速范围（100~1000 K/s）内，有关Al-5Ti-1B对晶粒的细化机制尚不明晰，特别是仍缺乏对影响异质核心因素的定量分析。

吉林大学先进轻合金团队王慧远、王珵教授，联合澳大利亚皇家墨尔本理工大学邱冬博士，通过添加Al-5Ti-1B晶粒细化剂和结合亚快速凝固技术，实现了Al-Mn-Si合金凝固组织由粗大柱状晶向细小等轴晶的转变，使Al-Mn-Si合金平均晶粒尺寸由毫米级降低到73 mm 。发现含Al-5Ti-1B细化剂的Al-Mn-Si合金形成细小等轴晶的主要原因为，亚快速凝固激活高数量密度的TiB2，可作为有效的形核位点诱发a-Al枝晶等轴化和细化。此外，利用合适的晶体生长模型，定量计算了亚快速凝固过程中曲率过冷、成分过冷、热过冷和动力学过冷。结果表明，在Al-5Ti-1B晶粒细化剂添加下，成分过冷是促使细小等轴晶形成的主要原因。这一工作为理解亚快速凝固下形核效率与冷却条件之间的复杂关系提供了新见解，从而可指导铝合金中等轴晶细化调控，并可以扩展到其他合金体系。相关研究成果以题为“Substantial grain refinement of Al-Mn-Si alloys mediated by collaborative effect of Al-5Ti-1B refiner and sub-rapid solidification”发表在期刊Journal of Materials Science & Technology上。

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本文亮点

(1) 利用Al-5Ti-1B细化剂和亚快速凝固技术(冷却速率102 ~103 K/s)，实现Al-Mn-Si合金晶粒的显著等轴化和细化。

(2) 阐明了添加或未添加细化剂的Al-Mn-Si合金，在不同冷却速率下凝固组织形貌特征的形成与演化机理。

(3) 明确了亚快速凝固过程成分过冷在总过冷度中占比最大，同时证实了由于总过冷度增大，TiB2颗粒在亚快速凝固条件下的异质形核效率比慢冷速更高。

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图文解析

图一在不同冷却速率(a) ~46 K/s, (b) ~108 K/s, (c) ~1000 K/s下，利用EBSD反极图重构了未添加晶粒细化剂的Al-0.76Mn-0.59Si-0.09Fe合金的纵向截面显微组织。

图二在不同冷却速率(a) ~46 K/s, (b) ~108 K/s, (c) ~1000 K/s 下，利用EBSD反极图重构了添加0.5 wt.% Al-5Ti-1B晶粒细化剂的Al-0.78Mn-0.64Si-0.12Fe合金的纵向截面显微组织。

图三(a)含有0.8 wt.% Al-5Ti-1B晶粒细化剂的Al-0.8Mn-0.6Si-0.1Fe合金晶粒内TiB2颗粒的SEM图像。(b) TEM下TiB2核心的形貌以及相应的(c) Ti、(d) B、(e) Al、(f) Mn、(g) Si和(h) Fe元素能谱图。(b)为(a)区域的放大图。数据取自冷却速率为1000K/s的亚快速凝固样品。

图四A1-Mn-Si合金的温度梯度G（K/mm）与异质核心TiB2数量密度N0 (m-3)的关系图，ΔTc 是成分过冷，ΔTn 是a-Al在核心上形核所需的最小过冷度。根据固液界面处的Hunt’s front-blocking 准则，划分出柱状(图左上角)和等轴晶区(图右下角)：- - - -对应 ~46 K/s，ΔTc = 3.06 K ；——对应 ~1000K/s，ΔTc = 8.05 K ；其中两条实线，上方的实线对应图左上角公式，下方的实线对应图右下角公式；两条虚线，上方的虚线对应图左上角公式，下方的虚线对应图右下角公式。蓝色圆圈对应不含Al-5Ti-1B细化剂的Al-0.8Mn-0.6Si-0.1Fe合金，蓝色三角形对应添加Al-5Ti-1B细化剂的Al-0.8Mn-0.6Si-0.1Fe合金。

图五高温梯度下不同冷却速率促进固液界面前形核的温度-距离示意图。TA 为实际温度。 ΔTr, ΔTc, ΔTt 和 ΔTk分别对应曲率过冷、成分过冷、热过冷和动力学过冷；TI 为固液界面处的液相线温度；TLP , TLC 分别对应于平面界面和曲线界面处的液相温度。不同大小的填充圆表示具有不同能量势垒的异质核心，在过冷场中会促进α-Al发生形核；小颗粒对应于高能势垒异质核心。

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总结与展望

本工作系统地研究了添加或不添加0.5 wt.% Al-5Ti-1B细化剂的Al-Mn-Si合金在亚快速凝固条件下的显微组织。通过固液界面前沿的温度梯度和过冷度计算，揭示了形核效率与冷却条件之间的复杂关系，从而可指导低铝合金中等轴晶的细化调控，并且可以扩展到其他合金体系。主要总结发现如下:

(1) 在没有添加晶粒细化剂的Al-Mn-Si合金中，总是在从 ~ 46到 ~ 1000 K s−1的冷却速率下获得大量粗大的柱状晶粒组织，这主要是由熔体中存在的高温梯度引起的。

(2) 在添加了晶粒细化剂的Al-Mn-Si合金中，固/液界面前沿的高密度TiB2促进了α-Al的成核。

(3) 随着TiB2在Al-Mn-Si合金熔体中的加入，高的冷却速度有效地增加了熔体的总过冷，激活了大量的TiB2作为α-Al的形核位点，最终导致晶粒尺寸从毫米尺寸降低到73 μm（在超过15.9 K mm-1的温度梯度下）。

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课题组介绍

本论文作者隶属吉林大学“双一流”学科建设“先进轻合金”团队（负责人：王慧远 教授），团队立足轻量化国家重大需求，聚焦镁、铝、钛等先进轻合金设计、精准加工制造和精细改性、强韧化与塑性变形等制备科学研究，在先进轻合金研发及应用方面已经形成特色优势。积极倡导“凝滴塑性、固本培材”教育理念，开发出系列新材料与加工技术：超塑性镁薄板、高强韧镁/铝型材、超细丝材、增材制造、半连续铸造、快速挤压、控制轧制、亚快速凝固、腐蚀防护技术等。团队曾获国家技术发明二等奖1项、吉林省（自然类、发明类、进步类）一等奖共4项、中国专利优秀奖1项；成功实现30余件发明专利转化许可。

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引用本文

Yong-Si Wei, Cheng Wang, Jiang You, Dong Qiu, Yipeng Gao, Hong Xu, Jin Xu, Hui-Yuan Wang, Substantial grain refinement of Al-Mn-Si alloys mediated by collaborative effect of Al-5Ti-1B refiner and sub-rapid solidification, J. Mater. Sci. Technol. 187 (2024) 230-239.

来源：JMST。