合金材料的技术成熟度怎么定义 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

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

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%。

图1 Al-TCB晶种合金组织表征

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

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

图4 Al-Mn 1.5TiCB合金TEM表征

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

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。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。欢迎转载请联系，未经许可谢绝转载至其他平台。