非晶合金变质对铸造合金组织演变的影响规律及其作用机制

金属材料凝固领域中，变质剂和孕育剂一般以晶态形式加入熔体中，细化结晶相或者改变晶相的生长方式，以获得理想的凝固组织。极少关于采用非晶合金作为变质剂的报道。本项目以非晶作变质剂，铝合金作为典型合金，探索非晶成分设计、加入工艺参数等对α-Al相形核、生长，Al2Cu相分布等的影响规律和不同成分非晶的晶化温度和晶化行为对α-Al相形核的孕育→失效的影响规律；提出非晶变质铝合金中α-Al相形核与生长的动力学规律；揭示非晶成分、晶化程度、晶化相结构等对α-Al相形核的孕育期→有效变质→衰退→失效的动力学规律与机制，定性的建立它们之间的本构关系；探索非晶变质对铸造Al-Cu合金中纳米Al2Cu析出相生长动力学的影响规律与机制。揭示非晶变质铸造铝合金组织对强韧性的影响规律与机制。非晶变质对铸造合金组织演变的影响规律及其作用机制是一项探索性的创新研究工作，将为拓展变质机制和扩大非晶的应用奠定一定的理论基础

本项目利用非晶合金的亚稳态结构及非晶晶化的物理特性，使用非晶合金作为铝合金的变质剂（包括孕育剂）。研究非晶变质初生α-Al枝晶和Al2Cu沉淀析出相的形态、尺寸、数量、分布对强韧性的影响规律与作用机制。揭示非晶变质对其组织演变的影响规律与作用机制、非晶变质剂变质衰退和失效临界特征动力学规律以及组织对性能的影响规律与作用机制等关键基础理论问题。取得了如下主要突破进展：发现ZrCuAlNi非晶随着加热速率的增加，其玻璃化温度和晶化温度都向右移动，但是非晶完全晶化需要的时间明显缩短。随着加热温度速率的增加，非晶的特征温度都有向右移动的趋势，非晶的晶化行为和玻璃化转变温度都与加热速率有关。随着加热时间的增加，非晶的晶化分数迅速增加，直到完全晶化，而随着加热速率的增加，其晶化趋势没有改变，但是晶化所需的时间迅速减少。ZrCuAlNi非晶的晶化是受扩散控制和三维生长影响。揭示出ZrCuAlNi非晶能够作为Al-Cu合金的孕育剂。非晶孕育的合金的晶粒尺寸明显减小，其最小尺寸为35μm是未孕育合金的近1/5。随着孕育时间的增加，孕育合金的晶粒尺寸先减小后增大；并且随着孕育含量的增加，非晶的有效孕育时间明显增加。揭示出非晶能够作为孕育剂细化晶粒主要是其在加入铝合金熔体后，能够迅速的晶化，其某些晶化相能够作为α-Al相的形核核心，从而起到细化晶粒的结果。同时，晶化形成的能作为α-Al相的形核核心的晶化相的熔点越高，其在铝熔体中越能稳定存在，其有效孕育的时间就会越长。揭示出非晶孕育处理的铝合金可以降低纳米析出相的激活能，从而有利于得到细小均匀分布的纳米析出相。孕育处理后合金中的纳米θ′析出相数量明显增加，分布更加均匀，尺寸也变的更加细小。这主要是晶粒细化能够减少凝固中第二相在晶界处的浓度（由于晶界变长），并且使第二相在固溶过程中从晶界扩散到界内的距离缩短了，有利于固溶过程中第二相的均匀分布。揭示出ZrCuAlNi非晶孕育处理Al-Cu合金的强韧性同时提高的原因是晶粒细化和析出强化的共同作用的结果。随着孕育时间增加，孕育合金的强度和塑性先增加后减小，并且与晶粒尺寸的变化相一致。揭示出高温下非晶孕育铝合金的峰值应力随着应变速率的增加而增加，随着变形温度的增加而减小，同时非晶孕育合金的峰值应力和延伸率在同等试验条件下明显的优于未孕育的合金。