TiCN纳米颗粒抑制晶粒生长细化Al-Cu-Zr合金

含有微量Zr元素的高强、超高强铝合金广泛应用于航空航天领域，例如机翼壁板、桁条等主承力构件。Zr元素能综合提高铝合金的强度、韧性和耐蚀性，含Zr铝合金在生产中却存在较多铸造缺陷，需要通过晶粒细化解决。然而Al-Ti-B或Al-Ti-C细化含Zr铝合金时，都存在中毒现象，限制了我国高性能铝合金的生产能力。

图  （a）超声处理示意图；（b）TiCN抑制晶粒生长；（c）同步辐射成像实验；（d）数值模拟

为了解决含Zr铝合金的细化难题，最近新材料所研究人员在Al-Cu-Zr合金中添加少量TiCN纳米颗粒，通过高能超声弥散分布到熔体中（图a），达到了良好的细化效果。这是因为纳米颗粒与Al之间有良好的晶格匹配关系，可以诱发α-Al形核，另外纳米颗粒在晶粒表面形成一层包裹层，阻碍溶质原子扩散，抑制了晶体生长（图b）。同时通过同步辐射成像得到纳米颗粒的生长抑制因子（图c），建立了一个新的数值模型（图d）。模型计算的晶粒尺寸可以较好的拟合实验结果。相较于传统细化剂，TiCN纳米颗粒细化含Zr铝合金时不存在中毒现象。

相关研究成果近日发表在国际期刊Ultrasonics Sonochemistry上，上述工作得到了广东省基础与应用基础研究重大项目（2020B1515120065）和广东省科学院建设国内一流研究机构行动专项资金项目（2020GDASYL-20200103140）的资助。

论文信息：

Yiwang Jia, Dongfu Song, Nan Zhou, Kaihong Zheng, Yanan Fu, Da Shu. The growth restriction effect of TiCN nanoparticles on Al-Cu-Zr alloys via ultrasonic treatment. Ultrasonics Sonochemistry, 2021, 80: 105829.

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