在材料科学的研究领域中，纯净化、均质化和细晶化是改进传统材料和研制新型合金的三大工艺手段。铝及其合金组织的细化是现代铝加工工业广泛研究的重大课题，晶粒细化可显著提高铝材的强度和塑性变形能力。由于硅毒化现象，传统Al-5Ti-B细化剂无法实现对高硅（≥ 5 wt.%）亚共晶Al-Si合金的有效细化和性能提升，该问题困扰业界至今。

细晶效果依赖于形核质点的促进形核能力，体现在细化剂对凝固过程中α-Al的晶粒数密度和枝晶生长速率的提升程度。因此，对TiB₂和(Ti,Nb)B₂之间形核能力的显显著差异进行原位表征至关重要，也为新型抗硅毒化Al-Ti-Nb-B细化剂的设计提供研究基础。

近日，实验室李谦教授团队与上海同步辐射光源付亚楠博士、大连理工大学王同敏教授团队合作，利用同步辐射技术直接观察添加不同细化剂铝硅合金的晶粒形核速率和枝晶生长速度，揭示了新型细化剂Al-Ti-Nb-B中(Ti,Nb)B₂对α-Al外延形核和自由生长的细晶机制。相关结果以题为“In-situ observation of grain refinement dynamics of hypoeutectic Al-Si alloy inoculated by Al-Ti-Nb-B alloy”发表于冶金及金属领域的顶级期刊《Scripta Materialia》上。论文第一作者为许晋博士生和黎阳博士，通讯作者为李谦教授。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646220303730?via%3Dihub

研究发现，与Al-5Ti-B相比，Al-1.67Ti-3.33Nb-0.5B合金在凝固过程中提供了更高的α-Al形核速率和更低的枝晶生长速率。自由生长模型表明，相比TiB₂颗粒，绝大多数(Ti,Nb)B₂颗粒都具备抗硅毒化能力，而使后者在形核初期做好α-Al触发外延成核的准备。足够的(Ti,Nb)B₂颗粒数密度有助于Al-1.67Ti-3.33Nb-0.5B合金在α-Al自由生长时获得显著优势，并为其提供优异的细晶效果。

这项研究获得的见解，不仅对于研究添加细化剂后α-Al的形核和生长过程具有一定的价值，也同时为开发适用于镁合金、钛合金等轻合金的细化剂提供了启示。

图1添加不同细化剂的Al-8Si-7Cu合金的原位凝固过程观察(a) Al-5Ti-1B; (b) Al-1.67Ti-3.33Nb-0.5B; (c)α-Al晶粒尺寸与文献对比结果

图2 .添加不同种类细化剂后(a)晶粒数密度; (b)形核率; (c)一次枝晶臂长度; (d)枝晶生长速度随时间演变的情况

图3 (a) Al-5Ti-1B和(b) Al-1.67Ti-3.33Nb-0.5B细化剂的微观组织; (c) TiB₂和(Ti,Nb)B₂颗粒的尺寸分布; (d)添加细化剂后Al-8Si-7Cu合金中颗粒数量密度和细晶效率

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