Acta Mater. : Al-Bi合金在TiC颗粒作用下液-液相变过程中的微观组织演变

【引言】
Al-Bi合金是一种在高端轴承领域最有前景的材料之一，当其中较软的Bi相能够很好的均匀分布在相对硬质的Al基中时。然而，作为一种非共晶合金，在Al-Bi合金实际熔炼结晶过程中，Al-Bi合金容易在液-液相变过程产生成分偏析，从而造成组织的不均匀化。目前关于非共晶材料的熔炼主要采取外力场，如电场，磁场等。本文通过在Al-Bi合金加入一定量TiC颗粒作为形核孕育剂的方式，获得了了成分分布更加均匀的Al-Bi合金组织，这也为调控液-液相变过程微中的观组织演化提出了这一有效方法。

【成果简介】
近日，由来自中国科学院金属研究所的赵九洲研究员为通讯作者在Acta Materialia上发表了一篇名为“Microstructure evolution during the liquid-liquid phase transformation of Al-Bi alloys under the effect of TiC particles”的文章。在该文中，研究人员通过在Al-Bi合金中加入一定量的TiC颗粒作为形核孕育剂，发现可以使对非共晶材料结晶组织起重要作用的的少数相颗粒（MPPs）及少数相液滴（MPDs）得到良好的精炼处理，从而很好的促进成分分布更加均匀的Al-Bi合金组织的形成。并提出了一种解释TiC颗粒在Al-Bi合金液-液相变过程中动力学行为的作用模型机制。

【图文导读】

图1. 组织和成分

（a）Al-Ti-C合金的微观组织。

（b） Al-Ti-C合金的XRD衍射图谱. 其中TiC颗粒的二维平均尺寸为100~200nm.

 从中可以看出，该合金主要由Al基体和TiC颗粒组成，且其成分组成为Al-1.35%Ti-0.33%C。

图2.MPPs含量分布

（a）MPPs在AL-9.0wt%Bi合金试样中分布模型。

（b）MPPs沿AL-9.0wt%Bi合金试样Z轴方向所占含量分布曲线。

（c）MPPs沿AL-9.0wt%Bi合金试样r轴方向所占含量分布曲线。

从MPPs在Al-9.0wt%Bi合金试样分布曲线中可以看出，MPPs所占含量随表面的位置的变化而急剧变化。尽管大部分位置所占比重总体上呈直线关系，但是这个不均匀分布却是富Bi少数相液滴（MPDs）在液-液相变过程中的斯托克斯沉降和马朗戈尼迁移的结果。

图3.不同TiC颗粒添加量的Al-Bi合金的凝固组织

（a）Al-5.0wt%Bi合金试样的凝固组织。

（b）Al-5.0wt%Bi-0.126wt%TiC合金试样的凝固组织。

（c）Al-5.0wt%Bi-0.252wt%TiC合金试样的凝固组织。

（d）Al-9.0wt%Bi合金试样的凝固组织。

（e）Al-9.0wt%Bi-0.126wt%TiC合金试样的凝固组织.

（f）Al-9.0wt%Bi-0.252wt%TiC合金试样的凝固组织。

图4.MPPs在不同TiC颗粒添加量的Al-Bi合金中的二维分布

（a）Al-5.0wt%Bi合金试样中MPPs的二维分布。

（b）Al-5.0wt%Bi-0.126wt%TiC合金试样中MPPs的二维分布。

（c）Al-5.0wt%Bi-0.252wt%TiC合金试样中MPPs的二维分布。

（d）Al-9.0wt%Bi合金试样中MPPs的二维分布。

（e）Al-9.0wt%Bi-0.126wt%TiC合金试样中MPPs的二维分布。

（f）Al-9.0wt%Bi-0.252wt%TiC合金试样中MPPs的二维分布。

图5.MPPs在不同TiC颗粒添加量的Al-Bi合金中的尺寸大小模拟值和实验值

（a）第一类，不含TiC颗粒组：黑线：MPPs尺寸大小计算模拟值；圆圈：MPPs尺寸大小实验值。

（b）第二类，含TiC颗粒组：蓝色线：含0.126wt%TiC和0.252wt%TiC颗粒的MPPs尺寸大小计算模拟值；蓝色三角形：含0.126wt%TiC颗粒的MPPs尺寸大小实验值；红色五角星：含0.252wt%TiC颗粒的MPPs尺寸大小实验值。

图6. Al-9.0wt%Bi-0.252wt%TiC合金的 FESEM图

（A）图(a)：背散射电子图谱。

（B）图(b)~(d): Bi, Ti, C元素沿图(a)中A-B线的含量分布图。

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

         分别含0wt%，0.126wt%，0.252wt%TiC颗粒添加量的Al-9.0wt%Bi合金试样随温度变化下MPDs的： 形核速率:I_MPD; 形核功：△G_VMDP；反应生成S_m(S_m= C_^Bim- C^Bi_me )，△T_HOMO 和△T_Heter 分别是MPDs分别是在均匀形核和非均匀形核时对应的的过冷度。

图8. 不同TiC颗粒添加量下的计算数密度N_TiC,平均粒径R_TiC和形核速率I_TiC

        分别含0.0638wt%(绿线)，0.126wt%（黑线），0.252wt%（红线）的TiC颗粒添加量的Al-9.0wt%Bi合金试样在（a）1323K下保温及（b）过冷△T下随时间变化TiC颗粒的：计算数密度：N_TiC；平均粒径R_TiC；形核速率：I_TiC。其中，n_DMPD-HOMO：MPPs在不含TiC颗粒条件下的MPPs的数密度。

图9. TiC颗粒粒径分布

        在含0.252wt%TiC的Al-9.0wt%Bi合金试样熔化状态并且MPDs开始形核时刻对应的TiC的粒径分布情况：始终保持固体颗粒态的TiC的粒径分布比重（f_r(R)_TiC，粉色线条）；沉淀析出的TiC颗粒的粒径分布比重（f_p(R)_TiC，蓝色线条）。其中：R_MPD: 过冷度为5K时, MPDs形核的临界半径值。

图10.不同TiC颗粒添加量下的TiC析出温度及MPPs平均二维粒径

        不同TiC颗粒添加量的Al-9.0wt%Bi合金试样中：TiC颗粒的平衡析出温度（T_TiCE：红线）和实际析出温度（T_TiCP：绿线）；MPPs平均二维粒径实验值和计算值。

图11.MPDs的形核速率I_MPD（实线），数密度N_MPD（虚线）及平均粒径<R_MPD>_2D

          不同TiC颗粒添加量的Al-9.0wt%Bi合金试样中MPDs的形核速率IMPD（实线），数密度N_MPD（虚线）及平均粒径<R_MPD>_2D（点线）：（a）0.0336wt%;（b）0.0618wt%；（c）0.126wt%。

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

表2.熔液态Al-Bi合金中代表吉布斯自由能所对应设置的系数

表3.计算中所使用的热物理参数

【小结】
本文通过对Al-Bi合金加入不同含量的TiC颗粒以此作为液-液相变过程的形核孕育剂， 获得了组织成分分布更加均匀的Al-Bi合金组织。表明TiC颗粒是一种调控Al-Bi合金组织的有效方法。并结合数值模拟计算，提出了一种解释TiC颗粒在Al-Bi合金液-液相变过程中动力学行为的作用模型：在Al-Bi合金液-液相变过程中，TiC可能主要有两种存在形式：其一是在加热熔化过程保持原有颗粒状态的TiC，另一个是在冷却过程中沉淀析出的TiC。这两种形式的TiC都可以有效促进对非共晶材料结晶组织起重要作用的的少数相颗粒（MPPs）和少数相液滴（MPDs）的精炼，从而促进成分分布更加均匀的Al-Bi合金组织的形成。

文献链接：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）

该文献由材料人编辑部金属材料学术组彭黄涛供稿，点我加入材料人编辑部。

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