B元素对Al-Si合金异质形核界面及自由生长行为的调控机理

The conventional Al-Ti-B grain refiner has been reported to be less efficient in treating Al-Si foundry alloys, due to the severe “Si poisoning” effects. One of the major route to overcome this drawback is to develop some new refiners without involving Ti. While Al-B refiners have been realized to be most effective, the mechanism underlying is still not clear and remains some ambiguity, which has limited the R&D of the Al-B based refiners. This project will take advantages of hard X-ray synchrotron radiation observation, high angle annular dark-field combined with high-resolution transmission electron microscopy (HAADF-HRTEM), and 3D atomic probe tomography (3D-APT), to comprehensively investigate the grain refinement mechanism of hypoeutectic Al-Si alloys by inoculation with B, from the perspective of heterogeneous nucleation and grain growth. The effects of both interactions between Si and AlB2 on the nucleation interface, and free B atoms on the growth behavior of α-Al, will be discussed in terms of thermodynamic calculations, E2EM model, and the LGK growth model. The results can not only advance the modern grain refinement theory based on solidification fundamentals, but also can provide an insight to developing more effective Al-B refiners for Al-Si foundry alloys with great potential of massive applications.

常规Al-Ti-B晶粒细化剂在处理Al-Si系合金时存在严重的“Si中毒”现象，开发无Ti晶粒细化剂是解决这一问题的重要途径。已有研究表明，Al-B合金在处理Al-Si系合金方面有优势，但细化机理仍不明确且存在争议，这限制了Al-B系晶粒细化剂的科学开发和高效利用。为了阐明B对亚共晶Al-Si合金的晶粒细化机理，本项目拟从异质形核与自由生长两个角度，基于同步辐射硬X射线原位动态分析、高角环形暗场像-高分辨透射电子显微技术、三维原子探针技术，结合相平衡热力学计算、E2EM模型、LGK枝晶生长理论，系统研究AlB2与Si交互作用对异质形核界面的调控机理，以及B元素对α-Al枝晶生长行为的影响机制。研究结果不仅可以丰富和发展铝合金晶粒细化理论，也为开发高效的Al-B系晶粒细化剂提供设计思路。

常规Al-Ti-B晶粒细化剂在处理Al-Si系合金时存在严重的“Si中毒”现象，开发无Ti晶粒细化剂是解决这一问题的重要途径。已有研究表明，Al-B合金在处理Al-Si系合金方面有优势，但细化机理仍不明确且存在争议，这限制了Al-B系晶粒细化剂的科学开发和高效利用。为了阐明B对亚共晶Al-Si合金的晶粒细化机理，本项目拟从异质形核与自由生长两个角度，基于同步辐射硬X射线原位动态分析、高角环形暗场像-高分辨透射电子显微技术、三维原子探针技术，结合相平衡热力学计算、E2EM模型、LGK枝晶生长理论，系统研究AlB2与Si交互作用对异质形核界面的调控机理，以及B元素对α-Al枝晶生长行为的影响机制。研究结果不仅可以丰富和发展铝合金晶粒细化理论，也为开发高效的Al-B系晶粒细化剂提供设计思路。基于项目计划任务，我们圆满的完成了预定计划中的各项工作。首先，采用改良的氟盐法工艺制备了Al-3B中间合金，B元素以AlB2单相形式分散在铝基体中，微观组织中未见余盐、氧化物、夹杂物等缺陷。利用NaOH稀溶液深腐蚀方法表征了硼化物的三维特征（形貌、尺寸、分布、体积分数等）。其次，研究了不同Si含量的Al-Si合金中AlB2颗粒与-Al晶粒的晶体学关系，采用E2EM模型分析了Si与AlB2/Al异质形核界面的交互作用机理，通过STEM表征技术，证实了出Si元素的富集，结合Si-B二元相图和E2EM模型理论分析判定Si与B在异质形核界面处生成了具有SiB6晶体结构的伪晶层。最后，进一步对AlB2/Al异质形核界面进行了3D-APT分析，发现了界面处存在Si-B元素的富集，从而佐证了界面处存在Si-B交互作用的论断。在项目研究过程中，负责人参加相关国内外会议7次，及时了解研究领域最新动向。依托此青年基金项目发表SCI 期刊论文15篇，国内期刊论文1篇，主要研究结果刊登在冶金工程领域TOP1期刊Acta Materialia上（Zongning Chen, et al., Acta Materialia, 2016, 120: 168-178）；授权发明专利2项；在基金资助期间，负责人荣获辽宁省优秀博士学位论文。