通过微量添加多尺度TiB颗粒，实现α-Mg晶粒和β-Mg以及17Al、12相的同时细化，从而在AZ91D复合材料中达到强度与塑性的协同提升

《Journal of Alloys and Compounds》：Achieving simultaneous refinement of α-Mg grains and β-Mg 17Al 12 phases via trace multi-scale TiB 2 for strength-ductility synergy in AZ91D composites

研究通过添加微量多尺度TiB??颗粒，协同细化AZ91D合金中的α-Mg晶粒和β-Mg??Al??相，显著提升合金强度与延展性，突破传统强度-延展性矛盾。

　　镁铝合金因其轻质、高强度和良好的铸造性能，广泛应用于航空航天、交通运输和电子通信等领域。然而，这类合金在实际工业应用中仍面临一些关键问题，如粗大的α-Mg树枝晶和连续的β-Mg??Al??共晶网络，这些结构缺陷会显著影响合金的力学性能。α-Mg树枝晶的粗大不仅降低了材料的强度，还可能成为裂纹萌生和扩展的优先位置，而连续的β相网络则可能进一步削弱材料的塑性。因此，如何通过有效的手段改善这些微观结构，成为提升镁铝合金综合性能的关键课题。

近年来，研究者们尝试通过添加强化粒子来改善镁合金的性能。这些粒子包括TiC、SiC、Al?C?、TiCN和Al?O?等，它们通常能够有效细化晶粒并增强材料的强度。其中，TiB?因其与α-Mg相似的六方密堆积（HCP）晶体结构，以及与基体良好的相容性，被认为是极具潜力的细化剂。TiB?的加入不仅可以抑制溶质扩散，还可以通过晶界钉扎效应来阻碍晶粒的生长，从而显著改善合金的微观组织。

然而，传统方法中使用的大尺寸TiB?粒子存在一定的局限性。这些粒子容易沉降并形成应力集中点，从而降低材料的延展性。此外，纳米级TiB?粒子虽然在较低添加量下表现出更高的细化效率，但它们也容易发生团聚，影响其在基体中的均匀分布。因此，单一尺度的TiB?粒子往往难以达到最佳的细化效果。为了解决这一问题，研究者们开始探索多尺度TiB?粒子的协同作用，即在合金中同时引入纳米级和亚微米级的TiB?粒子，以期在提升强度的同时，不牺牲材料的塑性。

本研究针对AZ91D镁铝合金，探讨了在添加低于0.10%的多尺度TiB?粒子后的微观结构演变及其对力学性能的影响。通过实验分析和理论模型，研究发现，0.05%的TiB?粒子添加能够显著细化α-Mg晶粒，使其尺寸减少69.4%。同时，β-Mg??Al??相的连续网络结构被打破，转变为分散的短棒状形态。这一变化表明，TiB?粒子不仅能够抑制晶粒的生长，还能有效改变共晶相的形态，从而提升合金的整体性能。

在力学性能方面，0.05% TiB?粒子添加的AZ91D复合材料表现出显著的增强效果。其抗拉强度由原始基体的195.5 MPa提升至263.8 MPa，增幅达34.9%。同时，延展性也得到了明显改善，从5.2%提升至10.2%，增幅为96.2%。这一结果表明，通过添加多尺度TiB?粒子，可以在不牺牲延展性的前提下显著提高材料的强度。理论模型进一步验证了这一现象，表明晶粒细化强化和热失配强化是提高屈服强度的主要机制。

从微观结构的角度来看，TiB?粒子的加入对α-Mg晶粒的细化主要依赖于其对晶界运动的阻碍作用。纳米级和亚微米级的TiB?粒子能够均匀分布在晶界附近，形成一种物理屏障，阻止晶粒的进一步生长。此外，这些粒子还能够通过溶质扩散抑制效应，减缓晶粒在凝固过程中的长大速率。这种双重作用机制使得晶粒尺寸得到了有效控制，从而提高了材料的强度。

与此同时，TiB?粒子对β-Mg??Al??相的细化作用则体现在其对共晶网络结构的破坏上。在未添加TiB?的情况下，β相以连续的网络形式分布在晶界处，这不仅限制了材料的塑性，还可能成为裂纹扩展的通道。而当添加了TiB?粒子后，β相的形态发生了显著变化，由连续的网络转变为分散的短棒状结构。这种转变有助于减少应力集中，改善材料的断裂韧性。

研究还发现，TiB?粒子与α-Mg基体之间存在特定的取向关系。具体而言，α-Mg与TiB?的取向关系为(1210) Mg / (1210) TiB?和(0002) Mg / (1010) TiB?。这种取向关系的建立意味着TiB?粒子能够与α-Mg晶粒形成良好的界面结合，从而在凝固过程中发挥更有效的细化作用。此外，这种取向关系还可能影响粒子在基体中的分布和排列方式，进而对材料的力学性能产生更深远的影响。

在实验方法上，本研究采用了搅拌铸造技术来制备AZ91D复合材料。通过使用混合卤化物盐反应法合成TiB?主合金，研究者能够获得一种包含纳米级和亚微米级TiB?粒子的多尺度粒子体系。这种多尺度粒子体系的引入，使得TiB?粒子能够在不同尺度上发挥细化作用，从而实现对α-Mg晶粒和β-Mg??Al??相的协同细化。

在微观结构表征方面，研究采用了扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等技术，对TiB?粒子的形态、分布以及与基体的相互作用进行了详细分析。通过这些手段，研究者能够清晰地观察到TiB?粒子在合金中的分布情况，以及它们对晶粒和共晶相的细化效果。此外，EDS能谱分析也进一步验证了TiB?粒子在基体中的均匀分布，为理解其细化机制提供了重要依据。

从材料科学的角度来看，TiB?粒子的加入不仅改变了合金的微观结构，还可能对其相变行为产生影响。在凝固过程中，TiB?粒子的加入可能促进α-Mg晶粒的异质形核，从而提高晶粒细化的效率。同时，这些粒子还可能影响β相的形核和生长行为，使其在基体中形成更加分散的结构。这种相变行为的调控对于提升合金的综合性能具有重要意义。

此外，研究还探讨了TiB?粒子对材料热性能的影响。由于TiB?具有较高的熔点和良好的热稳定性，其加入可能对合金的热传导性能产生积极影响。这在某些高温应用场合中可能具有重要价值，因为良好的热传导性能有助于材料在高温下的稳定性和耐久性。然而，本研究并未对热性能进行详细分析，因此这一方面仍需进一步研究。

在理论模型方面，研究基于Shangguan等人提出的粒子与固液界面相互作用模型，分析了TiB?粒子在凝固过程中的行为。该模型指出，粒子的捕获或推斥取决于其尺寸、固液界面的临界移动速度（V_cr）以及枝晶尖端的生长速度（V_tip）。当V_tip超过V_cr时，粒子可能被推斥，而当V_tip低于V_cr时，粒子则可能被捕获。通过这一模型，研究者能够更好地理解TiB?粒子在不同尺度下的行为，并据此优化其添加比例和方式。

综上所述，本研究通过引入多尺度TiB?粒子，成功地实现了对AZ91D镁铝合金微观结构的协同细化。实验结果表明，0.05%的TiB?添加量能够在不牺牲延展性的前提下显著提高材料的强度。这一发现为解决镁铝合金在强度与延展性之间的性能矛盾提供了新的思路和方法。未来的研究可以进一步探讨不同添加比例对材料性能的影响，以及如何通过优化粒子的尺寸分布和添加方式来实现更理想的细化效果。此外，还可以结合其他强化手段，如元素添加或热处理，以进一步提升材料的综合性能。