1、Al-Ti-C是一種高效的鋁及其合金晶粒細化劑，具有優(yōu)異的細化效果和抗細化衰減能力，并對含Zr、Cr、Mn、V等元素的鋁合金有“中毒免疫”作用，成為取代Al-Ti-B的新一代晶粒細化劑。 本文針對Al-Ti-B晶粒細化劑存在的弊端，以及Al-Ti-C制備過程中Al、C潤濕及TiC粒子活化的關鍵技術問題，特制了LSR和SHS反應劑，通過液固反應和自蔓延高溫合成反應實驗研究，成功地合成了Al-Ti-C晶粒細化劑合金。在此基礎上，采用

2、理論計算與實驗研究相結合的方法，對Al-Ti-C合成過程的熔體反應機制、反應條件對晶粒細化劑合金微觀組織的影響規(guī)律、連續(xù)鑄擠成形過程的組織演化、形核特性與細化機理進行了系統(tǒng)研究，進而探討了TiAl3和TiC的形成機制，確定了使TiC粒子具有形核活性的熱力學條件，建立了熔體反應的動力學模型及TiC粒子對凝固過程α-Al形核、長大的作用機制模型，解析了α-Al形核與細化機制，為Al-Ti-C晶粒細化劑合金的實際應用奠定了理論和技術基礎。

3、 本文的主要工作及研究成果如下：1)采用液固反應(LSR)法合成Al-Ti-C晶粒細化劑合金中，借助溶劑R的潤濕，熱活化及分散作用，通過實驗與計算確認，當Al熔體溫度在900℃以下時，可以形成TiAl3和TiC粒子，進而，提出了TiAl3和TiC形成的溶解—析出機制，建立了熔體反應的宏觀動力學模型 固液反應制備Al-Ti-C晶粒細化劑合金過程中，LSR反應劑在Al熔體的熱流擾動作用下分散，并在強對流作用下形成無數(shù)反應微元體，

4、在微元體與Al熔體界面上發(fā)生鋁熱反應，形成局部高溫微區(qū)，并還原出活性Ti，直接和C源反應生成TiC粒子族。固液反應由三組基元反應構成，固液反應合成TiAl3和TiC可分別視為二個基元反應組合成的串聯(lián)反應，并通過計算系統(tǒng)反應速率，建立了液固反應的宏觀動力學模型； 2)采用自蔓延合成技術(SHS)制備Al-Ti-C晶粒細化劑合金中，對SHS反應劑SHS自蔓延合成過程可能發(fā)生的初始反應和派生反應進行了熱力學分析，表明最穩(wěn)定的化合物是T

5、iC，原子態(tài)的Ti等只是初始反應階段的中間產(chǎn)物，而中間產(chǎn)物可以通過派生反應向TiC轉化。根據(jù)實驗結果以及表觀激活能與反應級數(shù)等動力學參數(shù)計算，建立了SHS反應機制模型 當Al熔體溫度接近830℃時，出現(xiàn)3Al(1)+Ti(s)=TiAl3(s)的強放熱反應，熔體快速升溫并使TiAl3(s)溶解形成活性Ti原子，隨之約1020℃時，引發(fā)Ti+C(s)=TiC(s)。Al不僅僅是作為一種稀釋劑，也參與了合成反應，正是由于3Al(1)

6、、Ti(s)Ti的反應，改變了TiC合成反應的途徑，降低了反應激活能，從而促進了TiC的形成； 3)液固反應及自蔓延合成反應所制備的Al-Ti-C細化劑合金組織包括α-Al，TiAl3和TiCx三相，TiAl3和TiCx均為非計量比化合物，TiCx的化學成分為TiC05～0.8，熔體在800℃較長時間保溫時，TiC相會向Al3C4轉化，Al3C4粒子的晶格常數(shù)與α-Al的晶格常數(shù)存在較大差別，從而使TiC出現(xiàn)中毒現(xiàn)象；

7、4)構建了熔體在強烈剪切/冷卻條件下動態(tài)凝固成形的理論框架，通過對熔體在強烈剪切/冷卻條件下自由晶TiAl3和TiC粒子遷移行為的實驗研究，闡明了Al-Ti-C晶粒細化劑合金連續(xù)鑄擠成形過程的組織演化機制 TiAl3粒子細化的有效作用區(qū)域在液固兩相區(qū)和固相區(qū)，“固相剪切及二次剪切球化”是TiAl3粒子細化的作用機制，TiC粒子簇的有效分散區(qū)域在液相區(qū)，“液相剪切及潤濕分散”是TiC粒子簇的主要分散機制。與常規(guī)鑄造組織相比，鑄擠成

8、形組織中的TiAl3粒子明顯細化，TiC粒子的團簇分布特征減弱甚至消失，且澆注溫度越低TiAl3粒子的細化程度越大，但TiC粒子的分散程度隨澆注溫度的降低反而降低； 5)通過實驗研究，建立TiC與TiAl3粒子對凝固過程α-Al形核、長大的作用機制模型，解析了α-Al形核、長大與衰減行為 α-Al的形核機制是，TiCx具有與TiC相同的晶體結構和相近的晶格常數(shù)，Ti原子擴散至TiC粒子的表面形成接近TiAl3成分的液相層

9、，在TiAl3凝固過程中與周圍Al液發(fā)生包晶反應形成α-Al晶核。 依據(jù)液固界面穩(wěn)定性判據(jù)，合理解釋了Al-Ti-C晶粒細化劑合金的細化機制，表明Al熔體中Ti含量是決定α-Al長大速度的主要因素，Ti含量較低時，表現(xiàn)為其抑制作用較小，且使TiCx的形核活性不足，容易形成柱狀晶組織，而Ti含量較高時，其抑制作用會使部分α-Al不能自由生長，最終形成粗大的等軸晶組織。 Al-Ti-C晶粒細化劑合金組織中，TiC粒子的體積分