原標題：重要突破！鋁合金異質形核機（jī）理新認（rèn）識與晶種新技術
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獲得均勻細小的等（děng）軸晶組織是提升鋁（lǚ）合金加工及力學性能、消除鑄造缺陷的有效途徑，但傳統晶粒細（xì）化劑（如AlTiB）用於含（hán）Zr等元素的高強及超高強鋁合金存在細化中毒現象，已成為高端鋁合金材料發展的堵點。通過添加晶種（zhǒng）合金，引入高效精準的晶種作為異質形核襯底來實現晶粒細化是破（pò）解鋁行業堵點的重要（yào）手段。TiCx被公認為是一種有（yǒu）效（xiào）的鋁合金形核劑，而B摻（chān）雜型TiCx（TCB）更是（shì）一種高效的鋁合金（jīn）形核晶種。研製高效、穩定、抗Zr（Si）致細（xì）化中毒的鋁合金（jīn）超級晶（jīng）粒細化劑——晶種（zhǒng）合金（jīn），一（yī）直是（shì）鋁工業界追求的目標（biāo），但由於對TiCx促進α-Al形核的科學機理尚不（bú）清楚，使上述研究未能取得實質性（xìng）和突破性進展（zhǎn）。
山東大學劉相法教授團隊在此領域開展了十多年係統研究，在TiCx對α-Al形核機理（lǐ）與摻雜型晶種應用研究方麵取得雙突（tū）破。近期與南京理工大（dà）學等單位開展聯（lián）合（hé）研究，在TiCx對α-Al形核機理的研（yán）究方麵取得以下重要進展：
- 發現（xiàn）異質形核襯底TiCx與α-Al間獨特的晶體學（xué）位向關係：[011]Al//[011]TiCx，(1-11)[011]Al與(1-11)[011]TiCx呈21°夾角，該夾角（jiǎo）的形成從理論上縮小了Al與TiCx晶格（gé）參數的差異，提高了（le）晶格匹配度。
- 從原子尺度上（shàng）揭示TiCx與α-Al之間的富（fù）Ti過渡層，闡明其可以有效降低界麵錯配（pèi）度，是TiCx發揮α-Al形（xíng）核襯底（dǐ）作用的（de）關鍵。
- 通過（guò）熱力學計算結合******性原理手（shǒu）段，首（shǒu）次提出TiCx與Al界麵處富Ti過渡層的形成條件及關鍵（jiàn）閾值x，TiCx作（zuò）為一種非化學計量比的化合物，在720℃的鋁熔體中，當x＜0.92時，TiCx能夠不斷地向鋁熔（róng）體中釋放（fàng）Ti，從而使α-Al與TiCx之間形成富Ti過渡層，x越小，釋放Ti的（de）熱力學驅動力越大，TiCx的形核潛力越大。
相（xiàng）關（guān）成果（guǒ）以A new insight into heterogeneous nucleation mechanism of Al by non-stoichiometric TiCx為題發表在金屬材料領域******期刊（kān）《Acta Materialia》。山東（dōng）大學楊化冰博士（現齊魯工業大學（山東省科學院）新材料研究所助理研究員（yuán））為論文（wén）******作者，南京理工大學聶（niè）金鳳（fèng）副教授（shòu）和山東大學劉相（xiàng）法教授為論文通訊作者。
論（lùn）文鏈接：
https://sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645422003585
圖1Al–5Ti–0.25C細化劑中Al/TiCx的位向關係表征。表明Al與TiCx具有如下位（wèi）向關係：[011]Al//[011]TiCx，(1-11)[011]Al與(1-11)[011]TiCx呈21°夾角（jiǎo）。將0.3%Al–5Ti–0.25C細化劑加入到工業純鋁中，也（yě）發現了相同的位向（xiàng）關係（圖2）。
圖2 0.3% Al–5Ti–0.25C細化後的工（gōng）業純Al中Al/TiCx的位向關係（xì）表征。
圖3 Al–5Ti–0.25C細化劑中Al/TiCx的界麵表征。表（biǎo）明Al與TiCx之間有一層（céng）含（hán）Ti過渡層（Layer 1）。
圖4 Al/TiCx界麵結構的******性原理原子尺度計（jì）算。界（jiè）麵處不含Ti時，Ti1a層的晶格畸變為±1.1%；界麵含Ti時，則降低為-0.19%和+0.22%。表明界麵處Ti元素的存在（zài）能夠有效降低界麵錯配度。
圖5 TiCx在720℃鋁熔體中演變（biàn）的熱力學計算結果（(0.47≤x＜y≤0.98)）。表（biǎo）明x＜0.92時，TiCx具有向（xiàng）鋁熔體（tǐ）中（zhōng）釋放Ti的熱力學（xué）驅動力，x越小，驅動力越大。
圖6TiCx粒子（zǐ）表麵元素種類和含量的XPS分（fèn）析結果。隨TiCx在鋁熔體中保溫時間的延長，其表麵摻雜（zá）的Al原子逐漸增多，Ti原子（zǐ）逐漸減少，從動力（lì）學（xué）角度闡明（míng）了TiCx可以向鋁熔體中釋放（fàng）Ti。
基於相關（guān）基礎研究，經過持續創新和關鍵技術攻關（guān），研究團隊在摻雜型TCB-Al晶種合金及其熔體處理新技術方麵取得了（le）重要突破。不僅從根本上破解了Zr致細化中毒堵點，而且徹底消除了Si致細（xì）化中毒難題。為超高（gāo）強（qiáng）變形鋁合（hé）金和高端鑄造（zào）鋁合金及其加工技術的發展提供了有效抓手。相關技術獲授權******發明專利8項，申請國際發明專利1項，主（zhǔ）持製定******團體標準1項，注冊商標權1件；獲山東省技（jì）術發明一等獎1項。創新產品及應用技術在上市較短時間內，已在國內外60餘家******鋁加工企業推廣應（yīng）用，其中包括多家行業領先的國（guó）際公司。
圖7 與TCB-Al晶種合金應用技術相（xiàng）關的******團體標準等有關文件及其產品
致（zhì）謝：本工作得到了******自然（rán）科學基金重點項目（No. 51731007）和******自然科（kē）學基金（No. 52071189、No. 52071179和No.52171182）的支持和（hé）資助。
*感謝論（lùn）文作者團隊（duì）對本文的大力支持（chí）。
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