含有微量Zr元素的高強、超高強鋁合金廣泛應用于航空航天領域，例如機翼壁板、桁條等主承力構件。Zr元素能綜合提高鋁合金的強度、韌性和耐蝕性，含Zr鋁合金在生產(chǎn)中卻存在較多鑄造缺陷，需要通過晶粒細化解決。然而Al-Ti-B或Al-Ti-C細化含Zr鋁合金時，都存在中毒現(xiàn)象，限制了我國高性能鋁合金的生產(chǎn)能力。

圖  （a）超聲處理示意圖；（b）TiCN抑制晶粒生長；（c）同步輻射成像實驗；（d）數(shù)值模擬

為了解決含Zr鋁合金的細化難題，最近新材料所研究人員在Al-Cu-Zr合金中添加少量TiCN納米顆粒，通過高能超聲彌散分布到熔體中（圖a），達到了良好的細化效果。這是因為納米顆粒與Al之間有良好的晶格匹配關系，可以誘發(fā)α-Al形核，另外納米顆粒在晶粒表面形成一層包裹層，阻礙溶質(zhì)原子擴散，抑制了晶體生長（圖b）。同時通過同步輻射成像得到納米顆粒的生長抑制因子（圖c），建立了一個新的數(shù)值模型（圖d）。模型計算的晶粒尺寸可以較好的擬合實驗結果。相較于傳統(tǒng)細化劑，TiCN納米顆粒細化含Zr鋁合金時不存在中毒現(xiàn)象。

相關研究成果近日發(fā)表在國際期刊Ultrasonics Sonochemistry上，上述工作得到了廣東省基礎與應用基礎研究重大項目（2020B1515120065）和廣東省科學院建設國內(nèi)一流研究機構行動專項資金項目（2020GDASYL-20200103140）的資助。

論文信息：

Yiwang Jia, Dongfu Song, Nan Zhou, Kaihong Zheng, Yanan Fu, Da Shu. The growth restriction effect of TiCN nanoparticles on Al-Cu-Zr alloys via ultrasonic treatment. Ultrasonics Sonochemistry, 2021, 80: 105829.

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