混合盐反应法的TiB2、ZrB2团簇形成过程及其电磁振荡调控的同步辐射研究

Mixed-salts reaction is an important way to synthesis aluminum matrix composites and Al-Ti(Zr)-B grain refiners, however, the existence of TiB2, ZrB2 agglomerates severely reduces the properties of relevant materials, and limits the practical application of the method. Due to the opacity, high temperature, complexity of mixed-salts reaction systems, it is difficult for conventional tools to directly observe the formation process and artificial regulation of the agglomerates. As a result, the formation and regulation mechanisms are still unclear and controversial, which definitely hinder people to accurately control the size and amount of the agglomerates. Based on the conditions, this project will take advantage of synchrotron radiation real-time imaging technology to in situ observe the formation process of the agglomerates, and use synchrotron radiation CT (SR-CT), synchrotron radiation micro-beam to precisely characterize the three-dimensional structure and composition of the agglomerates, and completely reveal the formation mechanisms of the agglomerates. On this basis, application synchrotron radiation imaging technology to in situ observe the influence of electromagnetic vibration on the formation process of the agglomerates, fundamentally reveal the key links of the agglomerates regulation and the regulation mechanisms of electromagnetic vibration on the agglomerates formation. The results can not only provide direct evidence for academia to clarify mixed salts reaction process, but also can provide theoretical guidance for the optimization of the preparation technology of the relevant composites and grain refiners.

混合盐反应法是制备铝基复合材料及Al-Ti(Zr)-B系晶粒细化剂的重要方法，然而，TiB2、ZrB2团簇的存在严重降低相关材料的性能，限制了该方法的实际应用范围。由于混合盐反应体系的不透明、高温、复杂特性，常规手段难以对团簇的形成过程及人为调控过程进行直接观测，以致团簇的产生及调控机制至今尚不明确且存在争议，这也制约了人们对团簇尺寸、数量的控制。基于此，本项目拟借助同步辐射实时成像技术对混合盐反应法的团簇形成过程进行原位观察，并借助同步辐射CT（SR-CT）和同步辐射微束分析技术对团簇的三维结构和构成进行精确表征，以全面揭示团簇的形成机理。在此基础上，采用同步辐射成像技术原位观测电磁振荡对团簇形成过程的影响，揭示团簇调控的关键环节以及电磁振荡调控团簇形成过程的主要机制。相关研究成果不但可以为学术界澄清混合盐反应过程提供直接证据，而且可以为相关复合材料和细化剂制备工艺的优化提供理论指导。

TiB2、ZrB2团簇是目前制约混合盐反应法应用范围扩大的主要障碍。本项目结合同步辐射分析技术和常规分析手段，研究混合盐反应法的TiB2、ZrB2团簇及颗粒形成的热力学和动力学机制。在此基础上，研究旋转磁场、超声场、电磁振荡对团簇的调控作用，并研究了Er、Gd等稀土元素对混合盐反应产物形貌和性能的影响。主要研究结果如下：①同步辐射原位观察揭示TiAl3颗粒释放的游离Ti原子与固态AlB2颗粒直接反应是高温铝熔体中分散的TiB2纳米颗粒和TiB2团聚的重要来源，纳米TiB2颗粒形成过程主要包括5个步骤，其中大块AlB2粒子的裂解增加了反应接触面积，是控制纳米颗粒形成的关键因素；②混合盐反应可以在低温（665±5°C）下进行，辅以氟盐/铝熔体界面机械搅拌，可以在低温下制备出纳米TiB2颗粒增强铝基复合材料；③在原位反应阶段施加电磁搅拌，在凝固阶段施加超声振动，可以消除颗粒团簇，从而制备出(Al2O3+ZrB2)np/AA6111复合材料，当磁场频率提高至10Hz，超声功率为1kW时，复合材料组织和力学性能最佳；④通过Al-K2ZrF6-KBF4混合盐反应体系，辅以超声振动和螺旋电磁搅拌，成功制备了ZrB2/Al纳米复合材料，原位纳米颗粒尺寸细小(10~50 nm)，分布均匀, 所制备的纳米复合材料具有良好的抗蠕变能力，约为基体材料的2-18倍，复合材料的应力指数为5；⑤稀土Er可以改善混合盐法制备的复合材料中增强颗粒的形貌和分布，Er包覆在硼化物颗粒表面有效地降低了颗粒团簇，使复合材料具有优异而稳定的力学性能；⑥在相同的脉冲电流频率下，随着电流强度的增加，电磁振荡对团簇的抑制作用增加，当磁场强度为300mT，脉冲电流为20A时，在0~240Hz的频率内，随着振荡频率的增加，ZrB2团簇的尺寸和数量逐渐减少，与此同时，复合材料的硬度由27.83HV提升至36.13HV。.相关研究成果不但可以为学术界澄清混合盐反应过程提供直接证据，而且为原位硼化物增强铝基复合材料和商用铝合金细化剂的生产提供理论和工艺指导，从而有助于提高相关材料的生产效率，促进混合盐法应用范围的扩大，推动相关材料产业发展。.