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輕質合金中添加納米顆粒能夠提高材料的力學性能，得到了研究者的廣泛關注。輕質合金具有非常高的應用前景，而合金的力學性能很大程度上決定了材料的應用廣度和深度。目前常用的納米顆粒有SiC，Al2O3，TiB2，Y2O3和AlN等。這些納米顆粒對合金的顯微結構和性能具有顯著影響。但是其具體的作用機制還不明確。本文采用高能同步輻射X射線3D原位表征手段，揭示了納米顆粒對凝固過程中的枝晶生長速率和枝晶形貌轉變的影響，通過定量化的分析闡明了SiC納米顆粒對鎂合金晶粒的細化機理，即：促進晶粒形核和抑制枝晶生長。

成果簡介

近日，英國曼徹斯特大學的Peter D． Lee和中國大連理工大學的郭恩宇（通訊作者）等人研究發現，熔體加工過程是一個有效的、制備金屬基納米復合材料的方法。但是，目前對納米顆粒如何影響凝固過程中的顯微結構演變的研究還不明確。本文研究了Mg－25Zn－7Al （wt.%）合金中，SiC納米顆粒對α－Mg枝晶生長的影響。本文采用同步輻射X射線4D（三維＋時間）方法，研究了不同冷卻條件下，含有和不含有納米顆粒的合金的凝固過程，并對凝固過程中枝晶的主要特征進行了定量化分析，包括：晶粒的微觀形貌、尺寸分布和枝晶尖端的生長速率。為獲得較高質量的圖像數據，研究中采用了一種較新的數據重建和圖片處理方法。研究結果表明，納米顆粒的添加有助于晶粒的形核，抑制枝晶生長，并改變初生枝晶的生長形貌。LGK模型計算結果表明，凝固過程中的枝晶形貌變化與納米顆粒抑制枝晶尖端Zn的有效擴散有關，從而降低枝晶尖端生長速率。本研究提供的隨時間演變的動態實驗數據為后續在金屬基復合材料（MMNC）中開展晶粒生長模擬研究提供了可靠的驗證數據。相關成果以“The influence of nanoparticles on dendritic grain growth in Mg alloys”為題發表在Acta Materialia上。

圖文導讀

圖1 不同數據重構方法得到的結果圖

（a）傳統FBP方法重構圖；

（b）MBIR方法重構圖；

（c）是（b）中框區域的MBIR－TV算法圖；

（d）是（b）中框區域的MBIR－TV－LLT圖．

圖2 樣品縱截面處的凝固枝晶形貌演化結果

（a－d，i－l）未添加納米顆粒Mg－25Zn－7Al合金的枝晶生長演化結果；

（e－h，m－p）添加納米顆粒Mg－25Zn－7Al合金的枝晶生長演化結果．

圖3 不同冷卻條件和納米顆粒添加條件下的三維枝晶生長演化結果

（a－c，g－i）未添加納米顆粒Mg－25Zn－7Al合金的3D枝晶演化結果；

（d－f，j－l）添加納米顆粒Mg－25Zn－7Al合金的3D枝晶演化結果．

圖4 添加／未添加納米顆粒的鎂合金中晶粒的尺寸分布與演變結果

（a）3℃／min；

（b）12℃／min．

圖5 鎂合金凝固過程中單個枝晶的3D演變圖

（a－d，i－l）未添加納米顆粒的單個枝晶3D演變圖；

（e－h，m－p）添加納米顆粒的單個枝晶3D演變圖。

（備注：a－h為3℃／min；i－p為12℃／min）

圖6 不同成分、凝固條件下典型枝晶的緊實度演變曲線

不同成分、凝固條件下典型枝晶的緊實度演變曲線．

圖7 不同成分、凝固條件下枝晶的生長速率

（a）枝晶的定量生長速率圖；

（b）是（a）中三角區域的放大圖。

圖8 納米顆粒團簇對枝晶生長影響的示意圖

（a）納米顆粒團簇對枝晶生長影響的示意圖；

（b）是（a）中放大圖，表明Zn原子的擴散路徑由于固液界面的納米顆粒阻礙而變長。

小結

本文采用同步輻射X射線原位3D成像的方法，研究了Mg－25?wt．％Zn－7wt． ％Al 合金中，SiC納米顆粒對晶粒形核和枝晶生長的作用。研究發現，納米顆粒的添加減小晶粒尺寸；SiC納米顆粒減小晶粒尺寸的主要機制：（1）增加異質形核；（2）納米顆粒降低熔體中Zn的擴散，從而降低枝晶的生長速率。其中，納米顆粒帶來的異質形核作用以及超聲熔體處理技術的結合，增加了孔洞／氧化物的數量和體積分數，從而增加了晶粒異質形核點的密度。