含有微量Zr元素的高强、超高强铝合金广泛应用于航空航天领域，例如机翼壁板、桁条等主承力构件。Zr元素能综合提高铝合金的强度、韧性和耐蚀性，含Zr铝合金在生产中却存在较多铸造缺陷，需要通过晶粒细化解决。然而Al-Ti-B或Al-Ti-C细化含Zr铝合金时，都存在中毒现象，限制了我国高性能铝合金的生产能力。
（a）超声处理示意图；（b）TiCN抑制晶粒生长；（c）同步辐射成像实验；（d）数值模拟
为了解决含Zr铝合金的细化难题，最近省科学院新材料所研究人员在Al-Cu-Zr合金中添加少量TiCN纳米颗粒，通过高能超声弥散分布到熔体中（图a），达到了良好的细化效果。这是因为纳米颗粒与Al之间有良好的晶格匹配关系，可以诱发α-Al形核，另外纳米颗粒在晶粒表面形成一层包裹层，阻碍溶质原子扩散，抑制了晶体生长（图b）。同时通过同步辐射成像得到纳米颗粒的生长抑制因子（图c），建立了一个新的数值模型（图d）。模型计算的晶粒尺寸可以较好的拟合实验结果。相较于传统细化剂，TiCN纳米颗粒细化含Zr铝合金时不存在中毒现象。
相关研究成果近日发表在国际期刊Ultrasonics Sonochemistry上，上述工作得到了广东省基础与应用基础研究重大项目和广东省科学院建设国内一流研究机构行动专项资金项目的资助。
论文信息：
Yiwang Jia, Dongfu Song, Nan Zhou, Kaihong Zheng, Yanan Fu, Da Shu. The growth restriction effect of TiCN nanoparticles on Al-Cu-Zr alloys via ultrasonic treatment. Ultrasonics Sonochemistry, 2021, 80: 105829.
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2021.105829
（省科学院新材料所/供稿）
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