Исследовательская группа Ланьчжоуского политехнического университета добилась крупного прорыва в области редкоземельных композитных лигатур

Исследовательская группа Школы металлургии и инженерной экологии добилась значительного прогресса в управлении характеристиками гипоэвтектических алюминиево-кремниевых сплавов. Команда разработала новый композитный лигатурный сплав Al-Ti-La-Sr, который существенно улучшает как микроструктуру, так и механические свойства алюминиевых сплавов при минимальном добавлении. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Rare Earths, ведущем международном журнале в области редкоземельных материалов и цветной металлургии. Журнал классифицируется как TOP-журнал зоны CAS 1 с импакт-фактором 7,2 за 2024 год, пользуется широким академическим влиянием и лидирует в международном сообществе материаловедения. Первым автором статьи является исследователь Дин Ваньву из Школы металлургии и инженерной экологии, а исследователи Дин Ваньву и преподаватель Ань Цзячжи выступают в качестве сокорреспондирующих авторов.

Промышленная проблема

Гипоэвтектические алюминиево-кремниевые сплавы, такие как Al-7Si-0,3Mg, являются ключевыми базовыми материалами для легких конструкционных компонентов в высокотехнологичном оборудовании, включая автомобильные двигатели и аэрокосмические применения. Однако их литая микроструктура обычно характеризуется крупными α-Al зернами и игольчатым (иглоподобным) распределением эвтектического кремния. Эти проблемы приводят к низкой прочности на растяжение и плохой пластичности, что затрудняет соответствие строгим требованиям высокотехнологичного производства к высокопроизводительным алюминиевым сплавам. Традиционные методы модификации часто включают комбинированную обработку для измельчения зерна и модификации кремниевой фазы. Тем не менее, элементы Ti и Sr имеют тенденцию проявлять антагонистические эффекты, что приводит не только к ограниченному улучшению характеристик, но и к увеличению уровней добавления и затрат.

Инновационное решение и механизм

Для решения этой распространенной в отрасли проблемы исследовательская группа инновационно разработала редкоземельный композитный лигатурный сплав Al-Ti-La-Sr, успешно преодолев техническое узкое место, вызванное взаимным вмешательством традиционных элементов. Исследование показало, что редкоземельная фаза Ti₂Al₂₀La, образующаяся в сплаве, играет двойную роль. С одной стороны, она действует как эффективный центр гетерогенной нуклеации, значительно измельчая α-Al зерна. С другой стороны, посредством высвобождения Ti и La и синергетического эффекта с Sr, она способствует превращению эвтектического кремния из игольчатой в гранулярную морфологию, одновременно способствуя равномерному осаждению наноразмерных вторичных фаз. Это создает многомасштабный синергетический механизм упрочнения, сочетающий измельчение зерна, сфероидизацию кремниевой фазы и упрочнение нанофазами. Экспериментальные результаты показывают, что при минимальном добавлении (≤0,2%) нового композитного лигатурного сплава прочность на растяжение сплава Al-7Si-0,3Mg увеличивается более чем на 32%, предел текучести - более чем на 44%, удлинение - более чем на 95%, а микротвердость - более чем на 26%. Общие характеристики значительно превосходят традиционный процесс Al-Ti-B + Sr, эффективно решая ключевые промышленные проблемы элементного антагонизма, высоких уровней добавления и ограниченного повышения производительности.

Перспективы

В дальнейшем исследовательская группа сосредоточится на низкозатратном и эффективном получении лигатурных сплавов с микро-нано редкоземельными фазами, производстве проволоки и инженерных применениях. Команда стремится ускорить внедрение и продвижение этих результатов исследований, поддерживая технологическое обновление легких материалов в новых энергетических транспортных средствах, производстве высокотехнологичного оборудования и других областях, тем самым способствуя высококачественному развитию китайской промышленности редкоземельных материалов.