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镁合金具有显著的轻量化优势,但其绝对强度低,室温下塑性较差,缺少有效的强化途径等因素严重阻碍镁合金的广泛应用。晶粒细化是提高镁合金强度的有效途径之一。当前超过90%的镁合金产品仍然是以铸件形式获得,而碳质孕育法是铸造Mg-Al合金最具应用前景的细化方法之一。但其细化效果不稳定,晶核易受Fe（Mn）“毒化”,并加速衰退,当前关于Fe（Mn）元素对孕育细化效果的影响机理尚未形成共识。前期研究发现Ca（Sr）可抑制Fe（Mn）对碳质孕育的不利影响,本文拟探讨碳和Ca（Sr）复合孕育处理含Fe（Mn）的Mg-3Al合金熔体中碳质晶核的生成和结构演变过程及其影响机制,针对溶质元素与碳质晶核间的协同细化机制开展研究工作。取得以下主要结论:碳和Ca（Sr）复合孕育能够有效细化Mg-3Al合金,晶粒尺寸从约620μm细化至约120μm,且细化效果稳定,保温至80 min也未出现孕育衰退现象。0.2%的Ca（Sr）添加能在碳质孕育基础上将晶粒细化率再提高10%以上,具有良好的协同细化作用。EPMA的观测结果表明碳和Ca（Sr）复合孕育主要包含有Al-C、Al-Ca和Al-Sr三种颗粒。Ca（Sr）元素作为表面活性元素增加了固/液界面前沿的成分过冷度,促进更多异质颗粒形核。且可为后续颗粒形核提供额外的成分过冷度,促进后续晶粒的形核,从而增加有效形核颗粒的数量,起到良好的协同细化作用。在添加Ca元素后,有效形核颗粒尺寸下降约2μm。第一性原理计算结果表明,Ca元素能显著降低Al4C3/Mg之间的界面能,同时提高Al4C3对Mg的吸附能,促进更多Mg原子吸附到Al4C3颗粒表面形核。Fe对Mg-3Al合金晶粒有一定细化作用,但细化率低,细化效果不显著。碳和Ca（Sr）复合孕育能提高含Fe的Mg-3Al合金的晶粒细化率至75%。Ca（Sr）可有效抑制Fe（Mn）对碳质孕育细化效果和孕育衰退的不利影响。在碳和Ca（Sr）复合孕育Mg-3Al-Fe的熔体中,主要存在Al4C3团簇颗粒和心部为Al13Fe4,壳层为的双相颗粒。其形成过程是细小的粒子自发聚集或者吸附于Al13Fe4表面长大。孕育细化过程中,存在两种细化机理,分别为:Al4C3→?-Mg;Al13Fe4吸附双相颗粒→?-Mg。构建了吸附热力学模型计算分析了晶核生成过程的自由能变化。计算结果表明,在Mg-3Al熔体中,吉布斯自由能随着双相颗粒吸附层数的增加而减小。双相颗粒和Al4C3团簇颗粒的生成和长大均导致整个体系的自由能减小,两种颗粒均能在熔体中自发生成和长大。在孕育初始阶段,两者形成的概率几乎相等,随着孕育保温时间的延长,吸附形成双相颗粒比团聚长大的趋势更为明显,细小的Al4C3颗粒更倾向于吸附在Al-Fe颗粒表面形成双相颗粒。加入Ca（Sr）后,吸附不同层数的双相颗粒的吉布斯自由能变化均为负值。Ca（Sr）的加入降低了形成双相颗粒的阻力,促进了双相颗粒的形成。Mn元素对Mg-3Al合金具有一定的细化作用,细化率约为40%。经碳和Ca（Sr）复合孕育能显著细化含Mn的Mg-3Al合金,其平均晶粒尺寸可细化至80～140μm,平均晶粒细化率高达85%,总体细化率高于含Fe的熔体。在复合孕育条件下,Mn的添加顺序及保温时间对晶粒细化效果无显著影响,且晶粒尺寸不随保温时间的延长而粗化,具有良好的抗孕育衰退性。与孕育含Fe熔体中的双相颗粒不同的是,除Al4C3颗粒外,在含Mn熔体中还存在一种心部为Al8Mn5壳层为伪晶碳层的特殊双相颗粒。利用第一性原理计算了C在Al8Mn5和Al13Fe4表面的吸附能,结果表明C在Al8Mn5表面更易于吸附。在含Mn熔体形核的初始阶段,游离的C原子易于吸附到Al8Mn5表面外延生长,逐渐凝固过程中Mg原子在C层表面堆垛。由于C原子与Al8Mn5及Mg原子差异较大,在生长过程中累积的应变能将会释放,受Al8Mn5和Mg应变能释放的影响,C层以伪晶态存在,厚度达到约100 nm。基于外延生长机制,此时伪晶碳层与Mg基体完全共格,错配度接近于0,小于Al4C3/Mg之间的错配度。Mg原子在该伪晶碳层表面外延生长,即该双相颗粒可以作为有效晶核从而促进晶粒细化。这种特殊的双相结构比Al13Fe4/Al4C3的双相颗粒更具形核效率,使得含Mn镁合金晶粒细化率比含Fe镁合金更高。基于凝固冷却曲线可获得凝固特征参数。初始形核温度Tn升高和熔体是否出现再辉现象可以用来定性判断孕育细化效果。Mg-3Al合金经碳质孕育后Tn升高,再辉现象消失。当晶核被“毒化”时α-Mg的初始形核温度Tn下降,出现再辉现象,晶粒粗化,抗拉强度下降。在碳和Ca（Sr）复合孕育免毒化处理后,Tn再次升高,再辉现象消失。合金的力学性能与晶粒细化效果相一致。本研究证实碳和Ca（Sr）复合孕育可高效细化Mg-Al合金,并实现碳质晶核“免毒化”,基于热力学深入揭示Ca（Sr）对晶核生成和结构稳定性的内在机制,发现晶核活性与形核过冷度正相关。研究结果对镁合金晶粒细化剂的设计与开发,碳质孕育技术推广和孕育细化效果在线判断具有积极的指导意义和参考价值。