鋁熔體中原位生成TiB2與LaB6的生長(zhǎng)機(jī)制及控制.pdf

1、本文以TiB2和LaB6兩種典型硼化物為研究對(duì)象，研究其在鋁熔體中的反應(yīng)合成熱力學(xué)條件及三維形貌演變生長(zhǎng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種粒子的生長(zhǎng)控制和結(jié)構(gòu)改性，為研發(fā)高效生核劑和金屬基復(fù)合材料打下基礎(chǔ)。借助高倍視頻顯微鏡(HSVM)、電子探針顯微分析儀(EPMA)、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)、X射線衍射儀(XRD)、差示掃描量熱儀(DSC)、透射電鏡(TEM)和高分辨透射電鏡(HRTEM)等分析測(cè)試手段，本文主要取得了以下研究結(jié)果:
　　

2、(1)鋁熔體中TiB2取向堆垛生長(zhǎng)機(jī)制的研究
　　 本文系統(tǒng)研究了TiB2粒子三維形貌與合成路徑的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)氟鹽法制備的Al-Ti-B合金中，TiB2粒子大多為規(guī)則的六角板片狀形貌;隨反應(yīng)溫度的升高，TiB2粒子轉(zhuǎn)變?yōu)閷盈B的寶塔和枝晶狀形貌，這是由熔體中[B]和[Ti]直接反應(yīng)導(dǎo)致的;由AlB2和[Ti]在鋁熔體中反應(yīng)合成的TiB2粒子為密實(shí)型聚集團(tuán)。
　　 熱力學(xué)分析表明，TiB2的{10(1)1}和{10(1)0}

3、晶面生長(zhǎng)屬于非小平面生長(zhǎng)，{0001}晶面生長(zhǎng)為小平面生長(zhǎng)。因此，相對(duì)于{0001}晶面，Ti和B原子更容易堆積在{10(1)1}和{10(1)0}晶面上;晶體結(jié)構(gòu)分析表明，TiB2傾向于形成表面自由能低的六角板片形貌，Ti和B原子優(yōu)先沿<10(1)1>方向化合堆垛，而<10(1)1>和<0001>方向的生長(zhǎng)速度較慢，使TiB2粒子經(jīng)歷了“球形→多面體→六角板片”的形貌演變過程。反應(yīng)溫度升高使初生TiB2納米晶表面能顯著增大，它們之間會(huì)

4、以平行連生、二維生核以及定向附生三種方式進(jìn)行堆垛長(zhǎng)大，最終形成層疊的寶塔和枝晶狀形貌。
　　 (2)TiB2的結(jié)構(gòu)改性及相關(guān)合金的研制
　　 向熔體中加入微量C元素后，Al-Ti-B-C中間合金中出現(xiàn)了大量摻C的TiB2粒子。由于表面摻雜形成能較高，C原子優(yōu)先在TiB2表層堆積，使其表層結(jié)構(gòu)無序化，從而減弱了粒子的取向堆垛傾向，改善了其在中間合金中的分布狀態(tài)，提高了中間合金的細(xì)化能力。
　　 利用Al3BC制備A

5、l-Ti-B-C中間合金時(shí)，可以使TiB2與TiC粒子同時(shí)生成，有利于實(shí)現(xiàn)C對(duì)TiB2的摻雜和改性，改善粒子的分布狀態(tài)，提高其形核能力。研究發(fā)現(xiàn)，Al-Ti-B-C中間合金對(duì)工業(yè)純鋁、Al-6Mg及A356合金的晶粒細(xì)化效果均優(yōu)于Al-Ti-B;經(jīng)1％的Al-5Ti-0.8B-0.2C細(xì)化后的Al-6Mg合金中，α-Al的平均晶粒尺寸約為25μm，其宏觀硬度和顯微硬度均得到大幅度提高;經(jīng)0.2％的Al-3Ti-1B-0.2C細(xì)化后，A3

6、56合金中α-Al平均晶粒尺寸約為167μm，且60min內(nèi)無衰退，合金的拉伸和屈服強(qiáng)度分別提高了5.9％和11.7％，延伸率提高了124.4％。
　　 在A390合金熔體中原位合成了3％的TiB2粒子，研究發(fā)現(xiàn)，TiB2粒子主要分布于初晶硅的內(nèi)部及周圍;通過edge-to-edge模型分析發(fā)現(xiàn)，TiB2與Si滿足良好的位向關(guān)系:<112>Si/<10(1)0>TiB2,{111}Si/{0001}TiB2，使其在初晶硅的析出過

7、程中，被液固界面前沿卷入并包裹;與基體合金相比，該復(fù)合材料在300℃下的拉伸強(qiáng)度和延伸率分別提高了8.8％和33.3％，室溫耐磨性也明顯提高。
　　 (3)鋁合金中LaB6的控制合成及其強(qiáng)化行為研究
　　 本文利用鋁熔體反應(yīng)法原位合成了LaB6顆粒，研究發(fā)現(xiàn)Al-3LaB6合金中LaB6粒子呈立方體形貌，彌散地分布在鋁基體中;LaB6晶體經(jīng)歷了“球形晶→八角晶→骰子晶→立方晶”的演變過程，其最終形貌取決于自身晶體結(jié)構(gòu)和外

8、部生長(zhǎng)環(huán)境。
　　 從晶體結(jié)構(gòu)分析，LaB6趨向于形成立方體的平衡晶體形貌，{111}和{110}外露晶面會(huì)逐漸減小，最終形成立方體的頂角和棱邊，{100}外露晶面因生長(zhǎng)緩慢而保留下來。然而，在合金熔體環(huán)境中，由于傳熱和傳質(zhì)等因素的影響，<111>晶向和<100>晶向的相對(duì)生長(zhǎng)速度會(huì)發(fā)生改變，使LaB6轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗝骟w（切角或切棱的立方體）。當(dāng)熔體中反應(yīng)物濃度較高(6％)時(shí)，LaB6晶核表面的凸起會(huì)在成分過冷的作用下向溶質(zhì)富集區(qū)快速

9、延伸，從而形成頂角和側(cè)棱上長(zhǎng)滿須狀枝晶的LaB6立方晶（須狀LaB6立方晶）;隨反應(yīng)物濃度的進(jìn)一步提高(9％)，熔體中出現(xiàn)了十字錐狀的LaB6枝晶。
　　 利用Turnbull-Vonnegut公式計(jì)算了LaB6與Al的晶格錯(cuò)配度，研究發(fā)現(xiàn)LaB6可以作為α-Al的潛在形核襯底。同時(shí)還研究了LaB6對(duì)A390合金的強(qiáng)化作用，向A390合金中加入3％的LaB6后，基體合金的硬度和耐磨性明顯提高;與多面體和立方體LaB6相比，高比表