Al-Si熔体中AlP异质形核界面原子吸附选择规律性研究

异质形核（heterogeneous nucleation）的研究及控制已对传统材料改性和新材料发展做出了重要贡献，原子性质、原子间的相互作用以及熔体结构对异质形核界面有重要的影响，但是人们对于异质形核界面原子吸附的选择规律和机理仍然缺乏足够的认识。本项目拟以Al-Si熔体中AlP/Si异质形核为主要研究对象，利用实验和理论分析相结合的手段对晶体结构相同的异质形核界面和非形核界面的结构特征、原子吸附规律等进行对比研究，找出异质形核界面演化的内在规律。研究异质形核界面处原子的吸附、扩散、形核和长大行为，明确体系中原子半径、界面电荷的分布、成键状态和界面动力学等因素对异质形核界面行为的影响和作用机制，揭示异质形核界面的结构相关性，明确异质形核初期熔体结构特征，探明异质形核界面原子吸附规律性并揭示其普适度。为界面研究提供新的途径，为新型多功能合金的设计和发展提供实验和理论指导。

在三年执行期内，项目组开展了Al-Si熔体中AlP异质形核界面原子吸附选择规律性研究的相关性研究。研究发现AlP较容易与B、C、Ti 等结合，但是与 Si、Ca等原子结合比较难，在其界面上在明显的原子选择性。揭示了复合粒子的形成机制，并提出了复合粒子异质生核机制对于有色合金中多种初晶相和金属间化合物的生核具有广泛的适用性。利用AlP/Si异质形核界面原子选择规律性的研究，提出了一种铝硅合金用除钙剂及其制备方法。发现了AlP对Mg2Si生长机制的影响，在对不同生长阶段的 Mg2Si 三维形貌系统分析和观测的基础上，建立了其生长模型，揭示了不同形貌间的相互转化机制，实现了对其生长过程的控制。研究了B与P在Al-Si合金中的交互作用，发现B可以细化Al-Si合金中的α-Al枝晶，也可以提高P的变质效果，细化Al-Si合金中的共晶团。利用B和P的交互作用，本项目研究了多种硼化物对Al-Si合金的增强作用，利用铝熔体原位反应法制备了CrB2增强A390合金、TiB2增强A390合金和ZrP增强Al-Si合金，发现TiB2、CrB2和ZrP都可以明显提高Al-Si合金的力学性能。基于本项目的研究，利用铝和镁还原硼酐的方法制备了Cu-B和Ni-Si-B中间合金，制备的Cu-B和Ni-Si-B中间合金在铝合金、镁合金和铜合金中具有广泛的应用。在Al-Si合金中可以除钙，且可以促进磷变质处理的效果；在铜合金中可以细化晶粒，提高合金的使用寿命。此外，Cu-B合金中的硼相，其显微硬度可达2700HV，耐蚀性要明显高于耐蚀铜合金。在项目执行期间，发表学术论文15篇，获得中国发明专利1项，申请中国发明专利1项，获教育部高等学校科学研究优秀成果二等奖1项。