铝合金凝固过程中Al熔体与异质核心间液-固界面特性

凝固组织细化是同时提高材料强度和韧性最有效的途径，添加Al-Ti-B中间合金细化铝合金铸态组织广泛应用于工业生产已将近半个世纪；但是关于Al-Ti-B中间合金对α-Al的晶粒细化机理，不同模型（假说）分歧严重，目前尚无统一认识。本项目以α-Al异质形核过程中Al熔体与AlB2、TiB2及(Al,Ti)B2硼化物间的液-固界面为研究对象，拟采用第一原理分子动力学计算模拟及多种材料分析测试手段，如：HRTEM、高分辨X射线衍射、X射线光电子谱、M?ssbauer谱、小角度X射线散射等，研究硼化物的体性质及表面性质，Al熔体/硼化物液-固界面结构，界面区溶质原子分布规律、异类原子间的相互作用等，探明液-固界面区液态Al原子有序结构形成动力学过程，建立Ti、Si等溶质原子在垂直界面方向上的分布函数，发展和完善Al-Ti-B中间合金对α-Al的晶粒细化机理。

本项目以α-Al在硼化物上的异质形核为研究对象，采用从头算分子动力学模拟与SEM、HRTEM、X射线小角散射等，对硼化物体相及表面性质、AlB2-(Alx,Ti(1-x))B2-TiB2转化、Al熔体/硼化物液-固界面结构开展了研究。.TiB2(AlB2P中的Ti(Al)被Al(Ti)替换形成(Alx,Ti(1-x))B2时，替换原子与B的成键性质将由其本征性质转变为适应硼化物整体成键环境。作为Al-Ti-B制备过程中AlB2向TiB2转化的中间过渡相，(Alx,Ti(1-x))B2由于具有高形成能，限制了转化发生。AlB2(0001)表面倾向于Al原子终止，Al/AlB2界面能为0.7615J/m2，大于α-Al直接从熔体中形核时的界面能，从能量角度看，其对α-Al没有异质形核作用。.Al熔体/TiB2液-固界面体系温度降至Al熔点附近，Ti终止TiB2(0001)表面的准固相区扩展至5层原子，B终止TiB2表面的类AlB2有序结构局限于1层原子范围。α-Al在TiB2上的异质形核能力取决于TiB2表面原子终止类型，只有Ti终止TiB2具备异质形核潜能。.液-固界面区的溶质Ti、Si分别促进和抑制类fcc-Al(111)有序结构形成。Ti通过限制液态Al原子热运动，在其周围形成Al原子局域有序结构；温度降低至Al熔点附近，熔体中Al原子局域有序结构被遗传，类fcc-Al有序结构扩展至7个原子层，Ti周围Al原子按类fcc-Al(001)正方堆垛形成过渡结构，消除类fcc-Al(111)有序结构与其稳定结构间的晶格畸变，HRTEM验证了过渡结构的存在。.α-Al在TiB2上有效异质形核需满足两个条件：①为了保证TiB2表面模板效应诱发类fcc-Al(111)有序结构形成，TiB2表面必须为Ti终止型；②界面前沿熔体中需富余溶质Ti，Ti原子周围Al原子通过形成类fcc-Al(001)正方堆垛过渡结构，消除模板效应引起的点阵错配和晶格畸变，促进Al原子有序结构向液相区的持续扩展。.综上所述，本项目从原子层次上揭示异质形核中Al熔体/硼化物液-固界面结构、界面区溶质原子分布规律，异质形核过程中Al原子在硼化物基底上的堆垛规律、异类原子间的相互作用等，为澄清硼化物粒子的形核潜力争议、阐明异质形核过程基本规律与物理本质提供了科学依据。