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Mg-Al系合金因其轻量特性能够满足节能减排的工业需求,但是较低的强度和较差的塑性变形能力限制了其应用的进一步发展。因此,Mg-Al系合金晶粒细化和及其细化剂的制备一直是国内外学者研究的热点。除晶粒细化外,颗粒增强也是提高其力学性能的重要手段。本文制备了一种新型Al-3wt.%C中间合金（以下可简称Al-3C,质量分数,下同）,用于Mg-Al系合金的细化试验及其机理的研究,并基于此在Mg-Al合金中原位合成了纳米Al4C3粒子。分析了 Al-3C中间合金的组织形貌及Al4C3生长机制和形貌演变,并研究其对AZ91、AZ63和AZ31合金的细化行为及对AZ91合金力学性能的影响;分析Mg-9Al合金中α-Mg异质形核衬底,比较AZ91合金和Mg-9Al中α-Mg的形核物相差异,利用物相提取技术研究AZ91合金中的富Mn相,综合分析Mn对碳质细化的影响,从而明确碳质细化机理;利用扩散控制反应法在Mg-Al合金中原位合成纳米Al4C3粒子,研究其组织形貌、反应机理及增强效果。本文的主要研究工作如下:（1）Al-3C中间合金制备及其在Mg-Al系合金中的应用采用液-固反应法原位合成一种弥散型Al-3C中间合金,克服了铝与石墨润湿性差、Al4C3粒子尺寸大且聚集成团等问题,其中Al4C3粒子尺寸多介于1～4μm之间,少量具有亚微米级尺寸,弥散、均匀地分布于铝基体上。Al4C3晶体的三个密排面为{0001}、{1010}和{1011},其中{1011}晶面具有最快的生长速度,{0001}和{1010}晶面被保留下来成为晶体的外露面,最终Al4C3晶体表现为六角板块状形貌,其表面自由能最低。结合晶体生长热力学和断口粒子形貌分析,Al4C3晶体在生长过程中的形貌演变过程为:球状→多面体→六角板块。Al-3C对AZ91、AZ63和AZ31合金均表现出了良好的细化效果,并且均遵循以下三个规律:1)高效性:保温15min,晶粒尺寸可细化至原始尺寸的1/3;2)抗衰退性:保温至180min,细化效果基本不发生细化衰退;3)60min最佳效果:保温60min,细化效果最佳。AZ91合金经Al-3C中间合金细化后,不仅获得细晶组织,也提高了固溶时效的热处理效果。力学性能方面:布氏硬度提高了10.95%,极限拉伸强度提高了 8.59%,同时,延伸率也提高了 42.56%。（2）碳质细化Mg-Al（-Mn）合金的形核衬底表征通过FIB（Focused Ion Beam）制样避免α-Mg晶粒形核核心物相的水解,然后利用EBSD（Electron Back-Scattered Diffraction）物相分析技术,证实碳质细化后α-Mg晶粒的异质形核衬底为Al4C3,而且观察到的形核方式为:Al4C3粒子团而非单个粒子作为α-Mg形核核心。Al4C3在720℃的Mg-Al基合金熔体中保温24h仍保持其原始晶体结构、形貌和尺寸,其极佳的稳定性正是细化效果具有良好抗衰退性的根本原因。对于含Mn元素的AZ91合金,经Al-3C细化后,Al8Mn5会对Al4C3颗粒产生依附行为（析出依附和颗粒依附）,对α-Mg在Al4C3衬底上形核产生不利影响。然而在Al4C3粒子团中其它未被依附的粒子仍然可以有效地发挥形核作用,该粒子团式的特殊形核方式在一定程度上能够克服Mn元素对形核带来的负面影响。（3）基于扩散控制反应法在Mg-Al合金中原位合成纳米Al4C3粒子以Al-C预制体和纯Mg组成的扩散偶,通过扩散控制反应法在Mg-Al合金中原位合成了纳米Al4C3粒子,其尺寸大都介于50-200nm之间,并以螺旋环型或是流线型均匀分布在基体上,且对Mg-Al合金增强效果良好,显微硬度为360.9HV,相较其基体提高了 215%。Al-C预制体于相同的试验条件进行处理后,微观组织和物相组成未发生任何变化,而Al-C预制体与纯Mg组成的扩散偶却发生充分反应生成大量的纳米Al4C3。这是由于界面两侧的Al原子和Mg原子由于化学势梯度的驱动力作用下发生下坡扩散,促进界面焊合并改变合金成分,使得扩散偶中产生液相,进而改变了Al和C的反应路径和动力学,促进Al4C3的生成。