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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。

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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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