Insight into Si poisoning on grain refinement of Al-Si/Al-5Ti-B system

材料科学 共晶体系 成核 硅化物 合金 冶金 微观结构 晶界 外延 格子(音乐) 结晶学 化学工程 纳米技术 热力学 图层(电子) 化学 工程类 物理 声学
作者
Yang Li,Bin Hu,Bin Liu,Anmin Nie,Qinfen Gu,Jeff Wang,Qian Li
出处
期刊:Acta Materialia [Elsevier]
卷期号:187: 51-65 被引量:175
标识
DOI:10.1016/j.actamat.2020.01.039
摘要

Si poisoning on Al-5Ti-B master alloys has been restraining the effectiveness of grain refinement of hypoeutectic Al-Si casting alloys for over 60 years, and yet the underlying mechanism of this phenomenon remains unclear. In this work, Si poisoning in Al-Si/Al-5Ti-B system was systematically investigated by combining state-of-the-art electron microscopy, first-principles calculations and thermodynamic calculations. Different from the common belief that silicides coat and therefore poison TiB2, this study demonstrates that the segregation of Si atoms at the TiB2/α-Al interface is likely the cause of Si poisoning. Silicide was found to be thermodynamically unfavorable to form even in an alloy with 10 wt.%Si. On the other hand, an appreciable amount of Si (5–20 at.%) was found to segregate in the TiAl3 two-dimensional compound (2DC) which is critical for triggering the nucleation of α-Al on TiB2. The formation of Ti-Si covalent bond within TiAl3 2DC disturbs its lattice and reduces its chemical interaction with α-Al, which both obstruct the epitaxial nucleation of α-Al and hence leads to Si poisoning. This study suggests that composition engineering of TiAl3 2DC and TiB2 with elements less attractive to Si could be a viable way to mitigate Si poisoning.
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