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液态金属与晶种材料研究团队在先进铝合金领域取得新进展
发布日期:2022-06-10 作者:高通 浏览次数:


[本站讯] 近日,材料科学与工程学院液态金属与晶种材料研究团队在铝合金异质形核理论及微纳晶种合金开发应用方面取得重要进展。

获得细小均匀的等轴晶组织是提升铝合金加工力学性能、消除铸造缺陷、提高先进铝制品内在质量的有效途径,但传统晶粒细化剂(如AlTiB)用于含Zr或Si的高强及超高强铝合金时存在元素致细化“中毒”现象,已成为高端铝合金材料发展的“堵点”。通过添加晶种合金,引入精准高效的晶种作为“晶核”来实现晶粒细化破解先进铝加工业“堵点”和技术瓶颈的重要手段。TiCx被公认为是一种有效的铝合金形核,但在铝熔体中易发生结构演变,也容易与某些元素反生反应导致细化“中毒”。因此,研制高效、稳定、抗Zr(Si)致细化“中毒”的铝合金超级晶粒细化——晶种合金,一直铝工业界追求的目标,但由于对TiCx促进α-Al形核的科学机理尚不清楚,使上述研究未能取得实质性和突破性进展。

刘相法研究团队在此领域从基础研究到应用开发开展了十多年的系统研究,从多相铝熔体结构演变与调控、TiCxα-Al形核机理、B掺杂TiCx(TCB)改性,到掺杂型TCB晶种的应用技术等方面开展了长期探索和执着坚守。

目前取得的重要进展包括以下两个方面。

首先,在基础研究方面,相关成果以A new insight into heterogeneous nucleation mechanism of Al by non-stoichiometric TiCx为题发表金属材料领域顶级期刊《Acta Materialia》。研究发现,异质形核衬底TiCxα-Al间独特的晶体学位向关系:[011]Al//[011]TiCx,(111)[011]Al与(111)[011]TiCx呈 21°夹角,该夹角的形成从理论上为了消除Al与TiCx晶格参数的差异,提高了晶格匹配度。通过热力学计算结合第一性原理手段,首次提出TiCx与Al界面处富Ti过渡层的形成条件及关键阈值x,TiCx作为一种非化学计量比的化合物,在720℃的铝熔体中,当x<0.92时,TiCx能够不间断地向铝熔体中释放Ti原子,从而使α-Al与TiCx之间形成Ti过渡层,x越小,释放Ti的热力学驱动力越大,TiCx的形核潜力越大该研究得到了国家自然科学基金重点项目和国家自然科学基金的资助。

   

其次,基于液态金属及液固相关性基础研究,经过多年持续创新和关键技术攻关,研究团队在掺杂型TCB-Al晶种合金及其熔体处理新技术方面取得了重要突破。不仅从根本上破解了Zr致细化“中毒”堵点,而且彻底消除了Si致细化“中毒”难题。为超高强变形铝合金和高端铸造铝合金及其加工技术的发展提供了技术支持。相关技术获授权国家发明专利8项,申请国际发明专利1项,主持制定国家团体标准1项,注册商标权1件;获山东省技术发明一等奖1项。创新产品及应用技术在上市较短时间内,已在国内外60余家先进铝加工企业推广应用,其中包括多家行业领先的国际公司,在航空航天制件、高铁及汽车发动机关键零部件制造、高端轮胎模具制造等高端制造领域发挥着不可或缺的重要作用。