【摘 要】
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晶粒细化不仅是铝合金材料强韧化的主要手段,也是其应用的必要前提。铝合金晶粒细化剂的发展大体上经历了Al-Ti细化剂、Al-Ti-B细化剂和Al-Ti-C细化剂三代。从非均匀形核的原理分析,Al-Ti-C细化剂中的TiCx粒子与Al同属面心立方结构,晶格常数相近,符合点阵匹配原理,因此铝晶核与TiCx粒子的界面能最小,形核阻力也最小。然而Al-Ti-C细化剂目前存在的主要问题是TiCx粒子在铝熔体中
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晶粒细化不仅是铝合金材料强韧化的主要手段,也是其应用的必要前提。铝合金晶粒细化剂的发展大体上经历了Al-Ti细化剂、Al-Ti-B细化剂和Al-Ti-C细化剂三代。从非均匀形核的原理分析,Al-Ti-C细化剂中的TiCx粒子与Al同属面心立方结构,晶格常数相近,符合点阵匹配原理,因此铝晶核与TiCx粒子的界面能最小,形核阻力也最小。然而Al-Ti-C细化剂目前存在的主要问题是TiCx粒子在铝熔体中的化学稳定性差,此外传统的TiCx粒子“自下而上”的制备方法容易产生杂质、成分偏析等有害相影响细化剂性能。本文首先以MAX相材料中的Ti2AlC为TiCx粒子的前驱体,在Ti2AlC与Al的高温反应过程中,通过Ti2AlC的原位分解形成亚微米尺度的细小TiCx粒子,并以此作为晶粒细化剂,系统研究了初始Ti2AlC含量、反应温度等关键工艺参数对所形成的物相的组成、形貌结构和分布形态的影响,并结合晶粒细化实验结果确定了中间合金的最佳制备工艺。为了进一步提升中间合金的稳定性,通过设计制备X位N掺杂的MAX固溶体材料(Ti2AlC1-yNy),实现了对TiCx的N掺杂及掺杂量的精确调控,并研究了N掺杂对TiCx稳定性的调控作用;将含不同N掺杂量TiCx的中间合金稀释到ZL101A系铸造铝合金熔体中,验证中间合金的实际应用效果。得到的主要结论如下:（1）以15 vol.%Ti2AlC-85 vol.%Al的混合粉体为原料,发现混合粉体在700℃时已经发生反应,Ti2AlC中的Al元素向外扩散,使Ti2AlC分解成TiCx;烧结温度在700℃～850℃之间时,反应生成物主要是Al3Ti和少量的TiCx和Al4C3相,同时还有少量的Al2O3;当烧结温度在900℃以上时,反应产物中的Al3Ti和少Al4C3相会进一步发生反应生成TiCx相。随着烧结温度的升高,中间合金15Ti2AlC/Al中的Al3Ti逐渐由块状或短棒状转变为尺寸较大针棒状,TiCx在铝基体中的分散性更加均匀,但是TiCx粒子的尺寸也逐渐增大,TiCx粒子中C空位浓度随烧结温度的升高而逐渐减小。（2）在晶粒细化实验中,向铝熔体中加入中间合金15Ti2AlC/Al-900℃能够有效的细化α-Al晶粒,且具有较好的细化稳定性。当向760℃的铝熔体中添加0.7wt.%的15Ti2AlC/Al-900℃中间合金保温15 min,α-Al晶粒尺寸由初始的5500μm左右细化到98μm左右;保温60 min后α-Al晶粒尺寸保持在132μm左右,15Ti2AlC/Al-900℃中间合金的衰退率f60维持在34%左右;中间合金15Ti2AlC/Al的烧结温度（在900℃～1200℃之间）越高,中间合金的细化效率越高,但是中间合金的稳定性逐渐降低,中间合金15Ti2AlC/Al-1200℃的衰退率f60在47%左右。（3）采用Ti2AlC1-yNy为原料制备中间合金15 Ti2AlC1-yNy/Al的方式能够有效的实现对中间合金中TiCx的N元素掺杂,形成一种新型的形核粒子TiCxN0.5-x;利用中间合金15Ti2AlC0.9N0.1/Al-900℃细化纯铝,研究了微量N掺杂对中间合金的细化效率及稳定性的影响,证明了TiC0.45N0.05能够有效的细化α-Al晶粒,并且具有很好的化学稳定性,在760℃的铝熔体中保温60 min,晶粒尺寸不会增大;过量N元素的掺杂会严重影响中间合金的细化效率。（4）添加0.5 wt.%的中间合金15Ti2AlC0.9N0.1/Al-900℃细化ZL101A,晶粒由初始的3900μm左右减小为90μm左右;对添加中间合金前后的ZL101A进行热处理后,ZL101A铝合金的维氏硬度增大了约19.7%。
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