Acta Mater. : Al-Bi合金在TiC顆粒作用下液-液相變過程中的微觀組織演變

【引言】
Al-Bi合金是一種在高端軸承領域最有前景的材料之一，當其中較軟的Bi相能夠很好的均勻分布在相對硬質的Al基中時。然而，作為一種非共晶合金，在Al-Bi合金實際熔煉結晶過程中，Al-Bi合金容易在液-液相變過程產生成分偏析，從而造成組織的不均勻化。目前關于非共晶材料的熔煉主要采取外力場，如電場，磁場等。本文通過在Al-Bi合金加入一定量TiC顆粒作為形核孕育劑的方式，獲得了了成分分布更加均勻的Al-Bi合金組織，這也為調控液-液相變過程微中的觀組織演化提出了這一有效方法。

【成果簡介】
近日，由來自中國科學院金屬研究所的趙九洲研究員為通訊作者在Acta Materialia上發表了一篇名為“Microstructure evolution during the liquid-liquid phase transformation of Al-Bi alloys under the effect of TiC particles”的文章。在該文中，研究人員通過在Al-Bi合金中加入一定量的TiC顆粒作為形核孕育劑，發現可以使對非共晶材料結晶組織起重要作用的的少數相顆粒（MPPs）及少數相液滴（MPDs）得到良好的精煉處理，從而很好的促進成分分布更加均勻的Al-Bi合金組織的形成。并提出了一種解釋TiC顆粒在Al-Bi合金液-液相變過程中動力學行為的作用模型機制。

【圖文導讀】

圖1. 組織和成分

（a）Al-Ti-C合金的微觀組織。

（b） Al-Ti-C合金的XRD衍射圖譜. 其中TiC顆粒的二維平均尺寸為100~200nm.

?從中可以看出，該合金主要由Al基體和TiC顆粒組成，且其成分組成為Al-1.35%Ti-0.33%C。

圖2.MPPs含量分布

（a）MPPs在AL-9.0wt%Bi合金試樣中分布模型。

（b）MPPs沿AL-9.0wt%Bi合金試樣Z軸方向所占含量分布曲線。

（c）MPPs沿AL-9.0wt%Bi合金試樣r軸方向所占含量分布曲線。

從MPPs在Al-9.0wt%Bi合金試樣分布曲線中可以看出，MPPs所占含量隨表面的位置的變化而急劇變化。盡管大部分位置所占比重總體上呈直線關系，但是這個不均勻分布卻是富Bi少數相液滴（MPDs）在液-液相變過程中的斯托克斯沉降和馬朗戈尼遷移的結果。

圖3.不同TiC顆粒添加量的Al-Bi合金的凝固組織

（a）Al-5.0wt%Bi合金試樣的凝固組織。

（b）Al-5.0wt%Bi-0.126wt%TiC合金試樣的凝固組織。

（c）Al-5.0wt%Bi-0.252wt%TiC合金試樣的凝固組織。

（d）Al-9.0wt%Bi合金試樣的凝固組織。

（e）Al-9.0wt%Bi-0.126wt%TiC合金試樣的凝固組織.

（f）Al-9.0wt%Bi-0.252wt%TiC合金試樣的凝固組織。

圖4.MPPs在不同TiC顆粒添加量的Al-Bi合金中的二維分布

（a）Al-5.0wt%Bi合金試樣中MPPs的二維分布。

（b）Al-5.0wt%Bi-0.126wt%TiC合金試樣中MPPs的二維分布。

（c）Al-5.0wt%Bi-0.252wt%TiC合金試樣中MPPs的二維分布。

（d）Al-9.0wt%Bi合金試樣中MPPs的二維分布。

（e）Al-9.0wt%Bi-0.126wt%TiC合金試樣中MPPs的二維分布。

（f）Al-9.0wt%Bi-0.252wt%TiC合金試樣中MPPs的二維分布。

圖5.MPPs在不同TiC顆粒添加量的Al-Bi合金中的尺寸大小模擬值和實驗值

（a）第一類，不含TiC顆粒組：黑線：MPPs尺寸大小計算模擬值；圓圈：MPPs尺寸大小實驗值。

（b）第二類，含TiC顆粒組：藍色線：含0.126wt%TiC和0.252wt%TiC顆粒的MPPs尺寸大小計算模擬值；藍色三角形：含0.126wt%TiC顆粒的MPPs尺寸大小實驗值；紅色五角星：含0.252wt%TiC顆粒的MPPs尺寸大小實驗值。

圖6. Al-9.0wt%Bi-0.252wt%TiC合金的 FESEM圖

（A）圖(a)：背散射電子圖譜。

（B）圖(b)~(d): Bi, Ti, C元素沿圖(a)中A-B線的含量分布圖。

圖7. 不同TiC顆粒添加量下的MPDs形核速率:I_MPD和形核功△G_VMDP

? ? ? ? ?分別含0wt%，0.126wt%，0.252wt%TiC顆粒添加量的Al-9.0wt%Bi合金試樣隨溫度變化下MPDs的： 形核速率:I_MPD; 形核功：△G_VMDP；反應生成S_m(S_m= C_^Bim- C^Bi_me?)，△T_HOMO 和△T_Heter 分別是MPDs分別是在均勻形核和非均勻形核時對應的的過冷度。

圖8. 不同TiC顆粒添加量下的計算數密度N_TiC,平均粒徑R_TiC和形核速率I_TiC

? ? ? ? 分別含0.0638wt%(綠線)，0.126wt%（黑線），0.252wt%（紅線）的TiC顆粒添加量的Al-9.0wt%Bi合金試樣在（a）1323K下保溫及（b）過冷△T下隨時間變化TiC顆粒的：計算數密度：N_TiC；平均粒徑R_TiC；形核速率：I_TiC。其中，n_DMPD-HOMO：MPPs在不含TiC顆粒條件下的MPPs的數密度。

圖9. TiC顆粒粒徑分布

? ? ? ? 在含0.252wt%TiC的Al-9.0wt%Bi合金試樣熔化狀態并且MPDs開始形核時刻對應的TiC的粒徑分布情況：始終保持固體顆粒態的TiC的粒徑分布比重（f_r(R)_TiC，粉色線條）；沉淀析出的TiC顆粒的粒徑分布比重（f_p(R)_TiC，藍色線條）。其中：R_MPD: 過冷度為5K時, MPDs形核的臨界半徑值。

圖10.不同TiC顆粒添加量下的TiC析出溫度及MPPs平均二維粒徑

? ? ? ? 不同TiC顆粒添加量的Al-9.0wt%Bi合金試樣中：TiC顆粒的平衡析出溫度（T_TiCE：紅線）和實際析出溫度（T_TiCP：綠線）；MPPs平均二維粒徑實驗值和計算值。

圖11.MPDs的形核速率I_MPD（實線），數密度N_MPD（虛線）及平均粒徑<R_MPD>_2D

? ? ? ? ? 不同TiC顆粒添加量的Al-9.0wt%Bi合金試樣中MPDs的形核速率IMPD（實線），數密度N_MPD（虛線）及平均粒徑<R_MPD>_2D（點線）：（a）0.0336wt%;（b）0.0618wt%；（c）0.126wt%。

表1.在含不同TiC顆粒添加量的Al-9wt%Bi合金中的MPPs的平均粒徑

表2.熔液態Al-Bi合金中代表吉布斯自由能所對應設置的系數

表3.計算中所使用的熱物理參數

【小結】
本文通過對Al-Bi合金加入不同含量的TiC顆粒以此作為液-液相變過程的形核孕育劑， 獲得了組織成分分布更加均勻的Al-Bi合金組織。表明TiC顆粒是一種調控Al-Bi合金組織的有效方法。并結合數值模擬計算，提出了一種解釋TiC顆粒在Al-Bi合金液-液相變過程中動力學行為的作用模型：在Al-Bi合金液-液相變過程中，TiC可能主要有兩種存在形式：其一是在加熱熔化過程保持原有顆粒狀態的TiC，另一個是在冷卻過程中沉淀析出的TiC。這兩種形式的TiC都可以有效促進對非共晶材料結晶組織起重要作用的的少數相顆粒（MPPs）和少數相液滴（MPDs）的精煉，從而促進成分分布更加均勻的Al-Bi合金組織的形成。

文獻鏈接：Microstructure evolution during the liquid-liquid phase transformation of Al-Bi alloys under the effect of TiC particles（Acta Mater. , 2017, DOI: 10.1016/j.actamat.2017.02.071）

該文獻由材料人編輯部金屬材料學術組彭黃濤供稿，點我加入材料人編輯部。

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