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通过添加中间合金晶粒细化剂对铝及铝合金铸态组织进行晶粒细化，因其工艺简单、晶粒细化效果优异，广泛应用于工业生产。国内外铝及铝合金晶粒细化合金主要有Al-Ti、Al-B、Al-Ti-B，而其中发展比较成熟的是Al-Ti-B中间合金。但由于Al-Ti-B中间合金中TiB2粒子尺寸较大，易衰退且与Zr、Cr、Mn等元素发生“中毒反应”而失去晶粒细化效果，使得Al-Ti-B的应用范围受到限制。Al-Ti-C中间合金细化剂能够克服以上缺点，被认为是最具潜力的晶粒细化剂。然而，Al-Ti-C中间合金目前并没有得到广泛应用，主要原因是制备过程中铝熔体对石墨的润湿性差，难以反应生成TiC粒子。细化机理是对中间合金细化合金原理的解释，同时，它是更好的制备细化剂、应用细化剂的理论指导。目前，存在多种铝晶粒细化机理模型，但是不同理论假说分歧严重，且部分机理与实验现象存在矛盾。这说明铝及铝合金的晶粒细化这一课题的复杂性，表明其仍然处于探索、发展的阶段。 晶粒细化机理的核心问题是确定出晶核是什么，对于目前的各种理论，尽管说法不一，但已做的大量研究工作基本上都肯定了一个重要结论，即Al-Ti-C中间合金良好的晶粒细化效果离不开TiAl3和TiC的共同作用。本文利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、电子探针显微分析仪（EPMA）、光学显微镜（OM）等分析测试手段系统研究了不同形貌的TiAl3对纯铝的晶粒细化作用，TiAl3对TiC细化纯铝效果的影响以及对TiC细化纯铝凝固过程中的润湿角与形核率的影响。在此基础上分析了Al-Ti-C中间合金重熔过程中钛化物的演变行为及对细化效果的影响，以及细化过程中钛化物的沉降行为及对细化效果的影响，并探讨Al-Ti-C中间合金的细化和衰减机理。本文还研究了采用铝熔体热爆法制备Al-Ti-C中间合金，通过在制备过程中添加稀土Ce元素以改善石墨与铝熔体的润湿性，研究制备了一种新型的Al-Ti-C-Ce中间合金细化剂。此外，本文还尝试将Al-Ti-C中间合金应用于对Al-20Si合金的细化变质处理，初步研究A1-Ti-C中间合金对Al-20Si合金组织及性能的影响。主要研究工作如下： （1）采用铝熔体热爆反应法制备三种不同形貌TiAl3的Al-Ti中间合金，系统研究了TiAl3的铝熔体反应合成方法及其影响组织特征的因素，探讨了Al-Ti中间合金中TiAl3的形态和分布对工业纯铝的晶粒细化作用与效果，分析了TiAl3在铝熔体中的溶解演变行为及对细化效果产生的影响。结果表明：熔体过热温度和保温时间是影响TiAl3形貌尺寸的关键因素。三种不同形貌TiAl3的Al-Ti中间合金对工业纯铝均表现出良好的晶粒细化效果。在相同中间合金加入量下，含有块状TiAl3的Al-Ti中间合金对工业纯铝的晶粒细化效果最好，含有块状和针状TiAl3的Al-Ti中间合金对工业纯铝的晶粒细化效果次之，而含有针状TiAl3的Al-Ti中间合金对工业纯铝的晶粒细化效果较差。随着细化保温时间的延长，三种不同形貌TiAl3的Al-Ti中间合金对工业纯铝的晶粒细化效果呈现出明显不同的变化趋势。含有块状TiAl3的Al-Ti中间合金随着细化保温时间的增加，其晶粒细化效果没有明显的衰退趋势。含有针状TiAl3的Al-Ti中间合金对工业纯铝的晶粒细化效果随细化保温时间的延长，呈现出明显的衰退趋势。含有块状和针状TiAl3的Al-Ti中间合金的晶粒细化效果随细化保温时间的延长，呈现一个峰值变化趋势。分析认为TiAl3对α-Al的晶粒细化作用机理符合“TiAl3粒子异质形核－溶质Ti生长抑制复合作用”机制。Al-Ti中间合金对α-Al的晶粒细化效果衰减是由于TiAl3在铝熔体中的溶解造成的。 （2）对比分析了TiC在铝熔体中单独存在时的晶粒细化效果和TiAl3与TiC在铝熔体中共存时的晶粒细化效果，研究晶粒细化过程中TiAl3对TiC细化效果的影响，以及TiAl3对TiC细化纯铝凝固过程中的润湿角与形核率的影响，探讨TiAl3对TiC细化效果的影响机理。结论如下：在相同的中间合金添加量下，（Al-TiC+Al-Ti）复合中间合金的晶粒细化效果和抗晶粒细化衰退性能优于Al-TiC中间合金。Al-Ti-C中间合金中适当复合加入Al-Ti可以获得更加优异的晶粒细化性能。说明Al-Ti-C中间合金良好的细化效果离不开TiAl3和TiC的共同作用，且这两种粒子必须保持适当的配比关系才能获得良好晶粒细化效果。热力学参数计算表明铝熔体中存在TiAl3有助于减小TiC细化纯铝凝固过程中的润湿角，提高其形核率。 （3）对Al-Ti-C中间合金进行重熔实验和细化实验，着重分析了重熔过程中钛化物的演变行为及对细化效果的影响，以及细化过程中钛化物的沉降行为及对细化效果的影响，研究了Al-Ti-C中间合金重熔过程中组织的稳定性和长效性，探讨Al-Ti-C中间合金发生细化衰减的机理。结果表明：Al-Ti-C中间合金在730℃和1000℃下重熔，其共同特征是，随着熔体保温时间的增加，中间合金的相组成没有发生明显变化，但Al-Ti-C中间合金中钛化物的分布、形态和尺寸大小发生了显著变化。在730℃时，随着重熔保温时间的增加，原来弥散分布的TiC发生偏聚，并被α-Al推向晶界处，而TiAl3发生溶解、偏聚和长大。在1000℃时，随着保温时间的增加，不仅TiC发生偏聚，而且TiAl3的大小和形态均发生显著变化，TiAl3的形貌由块状、长条状转变为粗大的针片状。重熔Al-Ti-C中间合金对纯铝仍具有一定的晶粒细化能力，但其晶粒细化能力较重熔前明显减弱。Al-Ti-C中间合金中的钛化物在重熔过程中存在明显的钛化物沉淀现象，且沉淀物中既有TiC，也有TiAl3；Al-Ti-C中间合金细化纯铝过程中，随着保温时间的增加，也会出现大量的TiC沉淀现象。分析认为钛化物在铝熔体中的沉降行为导致Al-Ti-C中间合金细化效果发生衰减。熔体搅拌作用可以使部分TiC粒子重新弥散分布，恢复其细化效果。 （4）采用铝熔体热爆法制备Al-Ti-C中间合金，通过在制备过程中添加稀土Ce元素以改善石墨与熔体的润湿性，制备了一种新型的Al-Ti-C-Ce中间合金细化剂，并探讨稀土Ce对Al-Ti-C中间合金微观组织结构及晶粒细化效果的影响机制。结论如下：采用铝熔体热爆法制备的Al-Ti-C中间合金由Al、TiAl3和TiC三种相组成，其中，TiAl3为平均尺寸为5×8μm的块状物，TiC呈团聚状或颗粒状分布在晶界上，尺寸大多在0.3~0.5μm。制备过程中加入稀土Ce元素制备的两组Al-Ti-C-Ce中间合金中形成了Ti2Al20Ce稀土相，其中，800℃时制备的Al-Ti-C-Ce合金中TiC粒子呈团聚状或颗粒状分布在铝基体和晶界上，平均尺寸约为0.3μm，而850℃时制备的Al-Ti-C-Ce合金中不仅出现了条状Ti2Al20Ce和条状TiAl3，而且TiC颗粒明显增大，平均尺寸约为0.5~1μm。制备的两种Al-Ti-C-Ce中间合金细化剂对工业纯铝均具有优异的晶粒细化效果，其中，铝熔体温度800℃时制备的Al-Ti-C-Ce中间合金在添加量为0.5wt.％，细化保温时间为5min时，其细化的工业纯铝晶粒尺寸约为120μm，细化效果最好；在细化处理之后保温30min仍能保持良好的晶粒细化效果。分析认为稀土Ce元素的加入不仅改善了石墨与铝熔体的润湿性，使更多的C能够在铝熔体中与Ti发生反应生成TiC颗粒，而且由于中间合金中的Ti2Al20Ce在细化过程中更易分解出大量的Ti原子，使得Al-Ti-C-Ce中间合金具有更加优异的晶粒细化性能。 （5）将Al-Ti-C中间合金应用于对Al-20Si合金的细化变质处理，初步研究了A1-Ti-C中间合金对Al-20Si合金组织及性能的影响。结论如下：Al-Ti-C中间合金对过共晶Al-20Si合金中初生硅和共晶硅均有明显的细化变质作用；当Al-Ti-C中间合金的加入量0.6wt.%，变质保温时间为10min时，过共晶Al-20Si合金中初生硅的形状由粗大的不规则板条状变为小块状，共晶硅由长针状变成球状或短棒状。经0.6wt.%Al-Ti-C中间合金变质保温时间10min后，过共晶Al-20Si合金的抗拉强度从变质前的91MPa提高到变质后的150.7MPa，提高了65.6%；合金的硬度从变质前的HB93提高到变质后的HB141，提高了51.6%。