通过Ti/Nb-TiB2异质形核调控实现压铸Al-Mg2Si合金微观结构均质化：实验与CA/RVE模拟协同研究

本文创新性地采用Ti/Nb-TiB2复合形核剂（TNB合金），通过同步异质形核机制显著改善了压铸（DC）Al-Mg2Si合金的微观结构均匀性。实验证实该策略可同步细化α-Al晶粒与二次枝晶臂间距（SDAS），降低孔隙率并实现缺陷均匀分布，最终获得207MPa屈服强度与13.1%延伸率的优异力学性能。结合细胞自动机（CA）模拟与代表性体积单元（RVE）分析，揭示了形核剂通过调控凝固序列优化应力分布，为突破压铸铝合金强度-塑性倒置难题提供了新思路。

　　

亮点

压铸Al-Mg₂Si合金的工程应用长期受微观结构异质性制约，主要表现为表皮区、中间带区与粗大枝晶中心区的三重空间分化。本研究通过Ti/Nb-TiB₂形核剂实现了α-Al晶粒的同步形核生长，使TNB合金（Al-5.4Mg-2Si-0.13Ti-0.02Nb-1TiB₂）获得207±2.5MPa屈服强度与13.1±0.2%延伸率的协同提升，性能超越现有报道的所有压铸Al-Si和Al-Mg₂Si合金。

微观结构与缺陷分析

XRD检测显示TNB合金中除α-Al（JCPDS: 97-004-3423）和Mg₂Si（JCPDS: 92-002-4803）外，还存在TiB₂特征峰。金相分析表明，传统基体合金中心区存在50-100μm的α_Ⅰ-Al粗晶与局部缩孔，而TNB合金整体晶粒尺寸均匀（20-30μm），孔隙率降低62%且缺陷呈弥散分布。

异质形核对压铸微观结构的影响

细胞自动机（CA）模拟揭示：传统合金在压铸模腔填充阶段依赖外部凝固晶粒（ESCs）作为形核点，导致中心区粗晶聚集；而TNB合金中Ti/Nb-TiB₂颗粒提供高密度活性形核位点（>10⁵/mm³），使α-Al在全局范围内同步形核，有效抑制了宏观偏析与带状区域形成。

结论

1. 1.

   Ti/Nb-TiB₂颗粒促进α-Al全域均匀形核，使枝晶臂间距标准差从基体合金的4.2μm降至1.8μm

2. 2.

   代表性体积单元（RVE）模拟显示均质化共晶骨架可优化多相应力分布，延迟裂纹萌生

3. 3.

   该研究为通过形核控制设计高性能轻量化构件提供了微观结构导向的新范式