河北科大金属顶刊《Acta Materialia》：揭示抗Si毒化与晶粒细化机制

2021-08-26 10:27:51 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

Al-Si铸造合金以其优异的铸造性能和出色的强度重量比，在汽车和航空航天工业中广泛应用。晶粒细化不仅可以产生更多等轴晶结构，而且可以改善铝液流动性，减少铸造缺陷，是提高材料综合性能的关键手段。通过加入Al-Ti-B、Al-Ti-C等细化剂实现晶粒细化是最为常见的做法，也由此带动了Al中间合金产业的发展。随着这些细化剂的推广使用，人们发现Si元素会削弱其细化作用，即所谓的“中毒”现象。由此，抗Si毒化的Al-Nb-B细化剂成为热点，但其在制备与使用方面存在粒子沉降速率快、成本高等诸多问题，并且其细化与抗Si毒化机制尚不清楚。

河北科技大学联合北京科技大学、清华大学等研究团队，通过在Al-Nb-B中加入Ti，调控制备出富含“三明治”结构（Nb,Ti）B2颗粒的Al-Nb-Ti-B中间合金。测试、计算表明，该结构有效降低了Si原子的吸附倾向，提高了与Al原子的结合强度，同时（Nb,Ti）B2衬底与Al的晶格失配降低，这些因素共同决定了（Nb,Ti）B2在Si含量较高时仍具有良好的晶粒细化能力。该研究为调控制备多结构Ni-Ti硼化物颗粒，以设计新型的抗Si毒化晶粒细化剂提供了新的思路，对促进相应中间合金制品的研发有重要意义。相关论文以题为“Revealing the mechanism of grain refinement and anti Si-poisoning induced by （Nb, Ti）B2 with a sandwich-like structure”发表在Acta Materialia上。河北科大苏孺，北科王沿东，清华荆涛为该文章共同通讯作者，青年教师吴大勇，博士麻思达为共同第一作者。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645421006455

目前，在保证Al-Nb-B基中间合金抗硅毒性能的同时，进一步提高其晶粒细化效果是推动其在Al-Si铸造合金中工业化应用的当务之急。本工作通过加入Ti调控制备了三明治结构的（Nb, Ti）B2，在缓解沉降，降低成本方面有着重要意义，同时完善了多相颗粒形成、抗Si毒化与细化机制，以促进新产品的研发。

图1（a） Al-3.5Nb-1B和Al-3.5Nb-1B-1Ti中间合金的XRD图谱。（b）Al-3.5Nb-1B-1Ti典型显微组织与颗粒统计。（c）局部颗粒形貌SEM图像。（d）元素面分布的EMPA结果。

图2.（a） Ti改性NbB2颗粒的TEM照片及选取区域对应的FFT；（b）颗粒的STEM-HAADF照片及其（c）元素面分布；（d） L1、L2和L3亮度强度分析。

图3.（a）（0001）（Ti, Nb）B2/Al界面结构及对应的FFT.（b）界面结构的高分辨STEM照片。（c） R1选区及L线的元素分布。

图4.（a）（0001）（Nb, Ti）B2/Al界面的结构模型；（b）界面结构的HAADF模拟与实验对比；（c）图（b）中亮度的线（L1，L2，L3）分析。

利用STEM/EDS，可以发现在（-1100）（0001）面均有Nbrich壳层，并且（0001）壳层厚度远大于2DC（112）Al3M到硼化物面间离。此外，通过对亮度峰值分析，在（-1100）NbB2上形成的（0001）Ti层上几乎没有Nbrich壳层。这种不连续出现表明Nb层中的Nb原子不是来熔体，而是来自NbB2颗粒。HRSTEM与元素面分布说明衬底的最外层对应于二硼化物结构，并确定最外面的二硼化物结构为NbrichB2壳。基于此，（0001）（Nb,Ti）B2衬底表面可概括为三明治状结构：最外层为NbrichB2壳层，中间为TirichB2区，初始衬底为NbB2。结合STEM模拟，确定了Al3M结构的存在，位向关系为（0001）[11-20] （Nb, Ti）B2//[-201] （112） Al3（Nb,Ti）// [1-10]（111） α-Al.

图5.（a）（0001）（Nb，Ti）B2表面重构引起的能量变化（表面模型-0至-4）；（b1）-（b5）中的数字为终端Ti和Nb的Bader电荷。（c）表面模型-0至-4沿z方向的平面平均静电势。

图6.TiB2端面和NbB2端面在（0001）（Nb,Ti）B2/Al界面的Si吸附倾向分析。

结合DFT计算，分析了（Nb,Ti）B2特征结构的形成机制，并进一步揭示了NbrichB2壳层的存在降低了Si吸附倾向，提高了与Al的化学亲和力，同时TirichB2区的形成降低了（Nb,Ti）B2/Al界面的晶格失配，从而保证了其在抗Si毒化的同时兼具高效的细化效果。综上，本工作调控制备了带有夹心结构的（Nb,Ti）B2，并在实验与理论上证实了其优异性，对设计新型的抗Si毒化晶粒细化剂提供了新的思路。