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铝及铝合金由于具有优良的延展性、导电和导热性能,优异的韧性和较高的比强度以及良好的耐腐蚀性等性能,被广泛应用于航空、航海、建筑、电力、医疗、运输车辆等工业领域。随着铝合金的广泛应用,工业生产对铝锭在后续加工中的组织和性能都提出了严格的要求。晶粒细化是提高材料强度和塑性,改善铝材质量的重要手段之一。而在工业生产条件下,向熔体中添加中间合金晶粒细化剂,在铝的凝固过程中通过异质形核使晶粒细化是目前最为简便、经济和有效的方法。Al-Ti-B细化剂是目前全世界广泛使用的一种高效的铝及铝合金晶粒细化剂,但是由于Al-Ti-B细化剂在使用过程中TiB2容易团聚,易被Zr、Cr、Mn等元素“毒化”而失去细化效果,使得Al-Ti-B的应用范围受到限制。随着对Al-Ti-C细化剂研究的深入,发现其能够弥补Al-Ti-B细化剂在工业应用方面的诸多缺点。但是目前Al-Ti-C细化剂的制备过程中存在碳与铝熔体润湿性极差,难以生成足够数量TiC颗粒的问题,大大限制了Al-Ti-C的工业化应用。本文采用熔铸-原位反应法,通过在制备过程中添加稀土元素以改善石墨与熔体的润湿性,制备一种新型的Al-Ti-C-RE中间合金细化剂,并探讨其合成机制,研究其对纯铝的细化效果。本文利用光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、差热分析(DTA)、能谱分析(EDS)和扫描电子显微镜(SEM)等分析手段,研究Al-Ti-C和Al-Ti-C-RE细化剂的组织特征和细化效果,并结合细化剂对纯铝力学性能的影响,探讨不同的稀土加入顺序下Al-Ti-C-RE细化剂的合成机制及其细化机理,为进一步开发具有高效细化能力的Al-Ti-C-RE细化剂提供理论参考和实践依据。研究结果表明Al-5Ti-0.25C-2RE细化剂的显微组织均由a-A1基体、团簇状或颗粒状TiC、条状TiAl3、包裹状及块状Ti2Al20Ce稀土相组成。采用先加稀土法的(A组)Al-5Ti-0.25C-2RE的合成机制为：在850℃左右K2TiF6与铝在界面处反应生成块状TiAl3;稀土元素Ce与TiAl3相和游离的Ti原子通过包晶反应形成Ti2Al20Ce;升温到1200℃左右石墨与Ti原子通过反应Ti+C(s)→TiC(s)及Ti+C→TiC(s)形成TiC粒子。后加稀土法的(B组)Al-5Ti-0.25C-2RE的合成机制为：在850℃左右K2TiF6与铝在界面处反应生成块状TiAl3;升温到1200℃左右石墨与Ti原子通过反应Ti+C(s)→TiC(s)及Ti+C→TiC(s)形成TiC粒子；在降温到850℃加入稀土元素后,Ce与TiAl3相和游离的Ti原子通过包晶反应形成Ti2Al20Ce。由于稀土加入的顺序不同,A组Al-5Ti-0.25C-2RE中TiAl3相多为细条状,包裹状Ti2Al20Ce相厚度较大；而B组Al-5Ti-0.25C-2RE中TiAl3相多为粗大的板条状,包裹状Ti2Al20Ce相厚度较小,形成了更多的块状Ti2Al20Ce相。采用相同添加量的Al-5Ti-0.25C和A、B两组Al-5Ti-0.25C-2RE细化剂细化纯铝,结果表明两组Al-5Ti-0.25C-2RE的细化效果均优于Al-5Ti-0.25C,其中采用先加稀土法制备的A组Al-5Ti-0.25C-2RE具有更加优异的细化效果。通过改变A组Al-5Ti-0.25C-2RE的添加量(0.1wt.%、0.3wt.%、0.5wt.%和0.7wt.%)及细化保温时间(5min、15min、30min、60min、120min),研究添加量和细化保温时间对纯铝组织及性能的影响。结果表明在添加0.5wt.%的细化剂保温5min后,纯铝的晶粒尺寸由340μm变为95μm,抗拉强度提高了10.4%,伸长率提高了19.2%；随着细化保温时间的延长,细化剂对纯铝的细化效果并未出现明显的衰退现象。稀土元素加入后与熔体中的TiAl3相发生包晶反应形成Ti2Al20Ce相,Ti2Al20Ce相在630℃左右会分解释放出游离的Ti原子和稀土原子,一方面促进了TiC粒子形核,另一方面能够保证在较长的保温时间下熔体中仍存在充足的Ti原子,从而保证了细化效果的长效性。