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Al-Ti-C是一种高效的铝及其合金晶粒细化剂，具有优异的细化效果和抗细化衰减能力，并对含Zr、Cr、Mn、V等元素的铝合金有“中毒免疫”作用，成为取代Al-Ti-B的新一代晶粒细化剂。
本文针对Al-Ti-B晶粒细化剂存在的弊端，以及Al-Ti-C制备过程中Al、C润湿及TiC粒子活化的关键技术问题，特制了LSR和SHS反应剂，通过液固反应和自蔓延高温合成反应实验研究，成功地合成了Al-Ti-C晶粒细化剂合金。在此基础上，采用理论计算与实验研究相结合的方法，对Al-Ti-C合成过程的熔体反应机制、反应条件对晶粒细化剂合金微观组织的影响规律、连续铸挤成形过程的组织演化、形核特性与细化机理进行了系统研究，进而探讨了TiAl3和TiC的形成机制，确定了使TiC粒子具有形核活性的热力学条件，建立了熔体反应的动力学模型及TiC粒子对凝固过程α-Al形核、长大的作用机制模型，解析了α-Al形核与细化机制，为Al-Ti-C晶粒细化剂合金的实际应用奠定了理论和技术基础。
本文的主要工作及研究成果如下：1)采用液固反应(LSR)法合成Al-Ti-C晶粒细化剂合金中，借助溶剂R的润湿，热活化及分散作用，通过实验与计算确认，当Al熔体温度在900℃以下时，可以形成TiAl3和TiC粒子，进而，提出了TiAl3和TiC形成的溶解—析出机制，建立了熔体反应的宏观动力学模型
固液反应制备Al-Ti-C晶粒细化剂合金过程中，LSR反应剂在Al熔体的热流扰动作用下分散，并在强对流作用下形成无数反应微元体，在微元体与Al熔体界面上发生铝热反应，形成局部高温微区，并还原出活性Ti，直接和C源反应生成TiC粒子族。固液反应由三组基元反应构成，固液反应合成TiAl3和TiC可分别视为二个基元反应组合成的串联反应，并通过计算系统反应速率，建立了液固反应的宏观动力学模型；
2)采用自蔓延合成技术(SHS)制备Al-Ti-C晶粒细化剂合金中，对SHS反应剂SHS自蔓延合成过程可能发生的初始反应和派生反应进行了热力学分析，表明最稳定的化合物是TiC，原子态的Ti等只是初始反应阶段的中间产物，而中间产物可以通过派生反应向TiC转化。根据实验结果以及表观激活能与反应级数等动力学参数计算，建立了SHS反应机制模型
当Al熔体温度接近830℃时，出现3Al(1)+Ti(s)=TiAl3(s)的强放热反应，熔体快速升温并使TiAl3(s)溶解形成活性Ti原子，随之约1020℃时，引发Ti+C(s)=TiC(s)。Al不仅仅是作为一种稀释剂，也参与了合成反应，正是由于3Al(1)、Ti(s)Ti的反应，改变了TiC合成反应的途径，降低了反应激活能，从而促进了TiC的形成；
3)液固反应及自蔓延合成反应所制备的Al-Ti-C细化剂合金组织包括α-Al，TiAl3和TiCx三相，TiAl3和TiCx均为非计量比化合物，TiCx的化学成分为TiC05～0.8，熔体在800℃较长时间保温时，TiC相会向Al3C4转化，Al3C4粒子的晶格常数与α-Al的晶格常数存在较大差别，从而使TiC出现中毒现象；
4)构建了熔体在强烈剪切/冷却条件下动态凝固成形的理论框架，通过对熔体在强烈剪切/冷却条件下自由晶TiAl3和TiC粒子迁移行为的实验研究，阐明了Al-Ti-C晶粒细化剂合金连续铸挤成形过程的组织演化机制
TiAl3粒子细化的有效作用区域在液固两相区和固相区，“固相剪切及二次剪切球化”是TiAl3粒子细化的作用机制，TiC粒子簇的有效分散区域在液相区，“液相剪切及润湿分散”是TiC粒子簇的主要分散机制。与常规铸造组织相比，铸挤成形组织中的TiAl3粒子明显细化，TiC粒子的团簇分布特征减弱甚至消失，且浇注温度越低TiAl3粒子的细化程度越大，但TiC粒子的分散程度随浇注温度的降低反而降低；
5)通过实验研究，建立TiC与TiAl3粒子对凝固过程α-Al形核、长大的作用机制模型，解析了α-Al形核、长大与衰减行为
α-Al的形核机制是，TiCx具有与TiC相同的晶体结构和相近的晶格常数，Ti原子扩散至TiC粒子的表面形成接近TiAl3成分的液相层，在TiAl3凝固过程中与周围Al液发生包晶反应形成α-Al晶核。
依据液固界面稳定性判据，合理解释了Al-Ti-C晶粒细化剂合金的细化机制，表明Al熔体中Ti含量是决定α-Al长大速度的主要因素，Ti含量较低时，表现为其抑制作用较小，且使TiCx的形核活性不足，容易形成柱状晶组织，而Ti含量较高时，其抑制作用会使部分α-Al不能自由生长，最终形成粗大的等轴晶组织。
Al-Ti-C晶粒细化剂合金组织中，TiC粒子的体积分数较低，聚集与沉降倾向小，从而具有良好抗细化衰减能力。在细化处理的温度条件下，TiC处于热力学不稳定状态，较长时间保温时会导致TiC中的C向Al熔体中扩散，并向Al4C3转化，使基与α-Al晶格失配是细化衰减的主要原因。