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作者及机构
本研究的通讯作者为大连理工大学的Enyu Guo和Tongmin Wang，第一作者为Zelong Du。合作单位包括大连理工大学材料科学与工程学院（Key Laboratory of Solidification Control and Digital Preparation Technology）及宁波研究院（Ningbo Institute of Dalian University of Technology）。研究发表于期刊《Composites Part A》2025年第198卷。

学术背景
本研究属于金属基复合材料领域，聚焦于镁合金（Mg-Al-Zn系，AZ91D）的力学性能优化。AZ91D作为工业中最常用的铸造镁合金，因凝固过程中α-Mg晶粒粗大且β-Mg17Al12相呈连续网状分布，导致其强度和延展性受限。传统细化方法（如添加Zr）在含Al镁合金中失效，而通过添加TiB2颗粒实现α-Mg晶粒与β-Mg17Al12相协同细化的机制尚不明确。因此，本研究旨在通过界面工程策略，揭示TiB2颗粒对AZ91D复合材料微观结构调控的作用机制，并实现强度-塑性的协同提升。

研究流程
1. 材料制备
- 原料：高纯Mg（99.995%）、Al（99.95%）、Zn（99.95%）、Mg-10%Mn中间合金及Al-6%TiB2中间合金（通过混合卤盐反应法制备）。
- 工艺：采用重熔稀释法（图1），在CO2/SF6保护气氛下，将TiB2以0 wt.%、0.1 wt.%、0.3 wt.%、0.5 wt.%（分别标记为M0、M1、M3、M5）加入AZ91D熔体，机械搅拌后浇铸至铜模（预热200°C）。
- 表征：通过X射线荧光光谱（XRF）测定成分（表1），确认TiB2含量精确控制。

1. 微观结构表征

   • 光学显微镜（OM）与扫描电镜（SEM）：分析α-Mg晶粒尺寸及β-Mg17Al12相形貌。结果显示，0.3 wt.% TiB2使α-Mg平均晶粒尺寸从191.7 μm降至68.2 μm（降幅64.4%），β-Mg17Al12相从连续网状转变为分散块状/球形（图3-4）。
     
   • X射线断层扫描（X-ray CT）：三维重构第二相与孔隙分布（图5-6）。M3复合材料中第二相等效直径89.8%集中在0–8 μm，而M0合金中67%为8–16 μm。
     
   • 透射电镜（TEM）：通过聚焦离子束（FIB）制样，结合高分辨TEM（HRTEM）和选区衍射（SAED），确认TiB2与α-Mg的取向关系为[1120]Mg//[1120]TiB2与(0110)Mg//(0001)TiB2，晶格错配度低（图9-10），证实TiB2可作为α-Mg异质形核基底。

2. 力学性能测试

   • 拉伸试验（GB/T 228.1–2010标准）：M3复合材料的屈服强度（YS）、极限抗拉强度（UTS）和延伸率（EL）分别为129.2 MPa、247.0 MPa和8.5%，较M0合金提升9.1%、26.3%和63.4%（图7）。
     
   • 断口分析：M3复合材料断口呈现均匀分布的韧窝，而M0合金以沿晶断裂为主（图12），表明TiB2通过细化晶粒抑制裂纹扩展。

主要结果
1. 微观结构调控机制
- 异质形核效应：TiB2与α-Mg的低晶格错配（理论计算与HRTEM验证）促进形核。
- 生长限制效应：TiB2颗粒被推至枝晶前沿，阻碍溶质Al扩散，抑制α-Mg枝晶生长（图11）。
- β相细化：细化的α-Mg晶粒缩小晶间区域，使β-Mg17Al12相分散化。

1. 强化机制量化分析
   通过Hall-Petch公式、热错配强化与Orowan强化模型计算，M3复合材料的理论屈服强度（129.8 MPa）与实验值（129.2 MPa）高度吻合（表2）。其中晶粒细化强化（6.4 MPa）和热错配强化（4.8 MPa）为主导机制。

结论与价值
1. 科学价值
- 揭示了TiB2通过异质形核与生长限制双路径协同细化α-Mg晶粒的机制。
- 阐明了β-Mg17Al12相形貌转变与晶界钉扎效应的关联性。

1. 应用价值
   
   • 仅需添加0.3 wt.% TiB2即可显著提升AZ91D的强度-塑性协同性能，为低成本高性能镁合金开发提供新策略。
     
   • 提出的界面设计方法可推广至其他铸造镁合金体系。

研究亮点
1. 创新性方法：首次结合X-ray CT三维重构与E2EM（edge-to-edge matching）模型，定量解析TiB2的异质形核能力。
2. 多尺度表征：从原子尺度（HRTEM）到宏观力学性能，建立完整的“工艺-结构-性能”关联链条。
3. 工程适用性：微量TiB2添加（0.3 wt.%）避免成分污染，适合工业化生产。

其他有价值内容
- 研究通过数字图像相关（DIC）技术实时监测拉伸应变分布，补充了传统力学测试的局限性。
- 对比文献数据（图7c），M3复合材料的强度-塑性匹配优于同类AZ91D复合材料（如SiC、TiC增强体系）。