山大《MD》:新思路!TCB晶种实现Al-Mn系铝合金的高效细化与强化!
2022-07-19 14:15:26 作者:材料科学与工程 分享至:

山东大学刘相法教授团队自主研发的B掺杂型TiC (TiCB)作为一种精准高效的α-Al形核晶种,已在抗Si(Zr)致细化“中毒”领域得到了广泛的应用。针对非热处理强化型Al-Mn系耐蚀铝合金强度难以改善,应用受局限等难题,来自山东大学的研究团队通过在该合金中添加TiCB晶种,采用普通重力铸造和热挤压工艺制备了系列细晶及超细晶Al-Mn系铝合金,研究了该晶种对Al-Mn系合金凝固组织、挤压行为和力学性能的影响,并通过系统的表征及分析,揭示了TiCB晶种对Al-Mn系合金的细化及强化机理。相关成果以“Microstructure evolution and enhanced mechanical properties in Al-Mn alloy reinforced by B-doped TiC particles”为题发表在《Materials & Design》。山东大学张冬青硕士生为论文第一作者,山东大学刘思达研究员和刘相法教授为论文通讯作者。


论文链接:https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110906

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除了大变形等特种加工手段外,传统的晶粒细化方法,铸锭或铸件的初晶晶粒平均尺寸一般都大于100 mm。既使通过后续正常热加工,晶粒细化会有变化,但再结晶等因素的制约,晶粒细化总是具有一定极限,进一步细化总是十分困难,难以达到超细化(﹤10 μm)水平。


本文研究结果表明,TiCB晶种可显著细化Al-Mn系合金的α-Al晶粒。 当TiCB晶种添加量为0.5 wt.%时,α-Al平均晶粒尺寸可由最初的410.1 μm细化至40.2 μm,挤压进一步细化至9.1 μm,在普通热加工条件下,使铝合金晶粒达到了超细化水平。进一步研究发现,TiCB晶种可抑制Al-Mn系合金热挤压过程中的动态再结晶过程,并保留大量的几何必须位错(GND)。当添加量为1.5%时,合金中的GND密度为1.37 × 1014/m2,远高于Al-Mn系合金的0.54 × 1014/m2。 因此,当TiCB晶种添加量为1.5 wt.%时,Al-Mn系合金在25 ℃和350 ℃时的抗拉强度分别提高了25.6%和32.4%。

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图1 Al-TCB晶种合金组织表征

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图2凝固组织中α-Al晶粒尺寸对比:(a) Al-Mn;(b) Al-Mn+0.5TiCB; (c) Al-Mn+1.5TiCB

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图3不同TiCB粒子添加量下Al-Mn合金凝固组织:(a) Al-Mn;(b) Al-Mn+0.5TiCB; (c-e) Al-Mn+1.5TiCB

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图4 Al-Mn+1.5TiCB合金TEM表征

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图5挤压态几何必须位错密度分析:(a, d) Al-Mn; (b, e) Al-Mn+0.5TiCB; (c, f) Al-Mn+1.5TiCB; (g-i) Al-Mn+1.5TiCB的TEM分析

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图6力学性能:(a) 25 ℃;(b) 350 ℃


值得关注的是,TiCB晶种作为强化粒子,与α-Al之间洁净且连续的界面,不仅为Al-Mn系合金室温(25℃)强度,而且为其高温(350℃)强度的提升提供了可靠的保障。


本文提出了一种提升非热处理强化型Al-Mn系合金力学性能的新思路,系统研究了TiCB晶种粒子对Al-Mn合金的组织调控行为,并分析了该合金的强化机制。为研发高强非热处理型铝合金新材料提供了数据和理论支撑。

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