碳空位及硼氮掺杂对TiCx结构稳定性和形核能力的影响

利用θ-θ液态金属X-射线衍射仪等分析仪器结合模拟计算研究碳空位及硼氮掺杂对TiCx结构稳定性和形核能力的影响。分析TiCx碳空位的形成条件、影响因素及演变规律，探讨碳空位及硼氮掺杂对TiCx晶格参数、晶体形貌、颗粒尺寸及分布的影响。试验研究TiCx在铝熔体中的溶解速率及其与异类原子反应动力学过程，分析碳空位浓度、温度与TiCx中碳原子迁移速率的相关性，探明硼氮掺杂后对碳原子迁移的定扎作用机制，揭示提高TiCx的高温结构稳定性的物理本质。研究在稀释后的铝熔体中，TiCx碳空位参数变化对其形核能力的影响，分析硼氮掺杂后TiCx中的键型变化及其活化作用，提出硼氮掺杂激励TiCx形核α-Al机制。探索以硼氮掺杂为主要手段的TiCx碳空位调控技术，并运用于改善和提高TiCx的结构稳定性与形核能力。为研制高温结构稳定型过渡族金属碳化物及高效TiCx形核剂提供科学依据。

本项目系统研究了碳空位及B/N掺杂对TiCx生长机制、形貌演变、结构稳定性及形核能力的影响规律。系统研究了铝熔体中TiCx的形貌演变规律与晶体生长机制；揭示了TiCx结构演变的原子空位迁移机制及过量B诱导其层片剥离转变机制；提出了B/N掺杂碳空位抑制TiCx结构演变与激励生核机制；并基于B/N掺杂提高TiCx结构稳定性及异质形核能力的原理，发明了具有重要应用价值的Al-Ti-C-B-N系中间合金，该合金克服了Al-Ti-C和Al-Ti-B中间合金的缺点，具有广阔的应用前景。其中Al-Ti-C-N合金可有效细化含Zr铝合金；Al-Ti-B-C合金对轮毂用Al-Si合金具有良好的细化效果；富含无序碳核壳结构TiB2粒子的Al-Ti-C-B中间合金是Mg-Al系合金和变形铝合金的“双效生核剂”，Al-Ti-C-B中间合金已获推广应用。该项研究的科学意义主要体现在：B/N掺杂抑制TiCx演变与激励生核机制为生核剂的研究提供了理论依据；TiCx碳空位相关计算为其表面改性提供了新思路；不同形貌TiCx的生长机制的提出为熔体反应合成高熔点粒子相提供了新方法；多相熔体原位反应合成新技术的提出为金属基复合材料的制备开辟了新途径。