Al-Ti基中間合金的制備及其晶粒細化行為與機理研究.pdf

1、通過添加中間合金晶粒細化劑對鋁及鋁合金鑄態(tài)組織進行晶粒細化，因其工藝簡單、晶粒細化效果優(yōu)異，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。國內(nèi)外鋁及鋁合金晶粒細化合金主要有Al-Ti、Al-B、Al-Ti-B，而其中發(fā)展比較成熟的是Al-Ti-B中間合金。但由于Al-Ti-B中間合金中TiB2粒子尺寸較大，易衰退且與Zr、Cr、Mn等元素發(fā)生“中毒反應(yīng)”而失去晶粒細化效果，使得Al-Ti-B的應(yīng)用范圍受到限制。Al-Ti-C中間合金細化劑能夠克服以上缺點，被認為

2、是最具潛力的晶粒細化劑。然而，Al-Ti-C中間合金目前并沒有得到廣泛應(yīng)用，主要原因是制備過程中鋁熔體對石墨的潤濕性差，難以反應(yīng)生成TiC粒子。細化機理是對中間合金細化合金原理的解釋，同時，它是更好的制備細化劑、應(yīng)用細化劑的理論指導(dǎo)。目前，存在多種鋁晶粒細化機理模型，但是不同理論假說分歧嚴重，且部分機理與實驗現(xiàn)象存在矛盾。這說明鋁及鋁合金的晶粒細化這一課題的復(fù)雜性，表明其仍然處于探索、發(fā)展的階段。
　　晶粒細化機理的核心問題是確定

3、出晶核是什么，對于目前的各種理論，盡管說法不一，但已做的大量研究工作基本上都肯定了一個重要結(jié)論，即Al-Ti-C中間合金良好的晶粒細化效果離不開TiAl3和TiC的共同作用。本文利用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）、電子探針顯微分析儀（EPMA）、光學(xué)顯微鏡（OM）等分析測試手段系統(tǒng)研究了不同形貌的TiAl3對純鋁的晶粒細化作用，TiAl3對TiC細化純鋁效果的影響以及對TiC細化純鋁凝固過程中的潤濕角與形核率的影響。在

4、此基礎(chǔ)上分析了Al-Ti-C中間合金重熔過程中鈦化物的演變行為及對細化效果的影響，以及細化過程中鈦化物的沉降行為及對細化效果的影響，并探討Al-Ti-C中間合金的細化和衰減機理。本文還研究了采用鋁熔體熱爆法制備Al-Ti-C中間合金，通過在制備過程中添加稀土Ce元素以改善石墨與鋁熔體的潤濕性，研究制備了一種新型的Al-Ti-C-Ce中間合金細化劑。此外，本文還嘗試將Al-Ti-C中間合金應(yīng)用于對Al-20Si合金的細化變質(zhì)處理，初步研究

5、A1-Ti-C中間合金對Al-20Si合金組織及性能的影響。主要研究工作如下：
　?。?）采用鋁熔體熱爆反應(yīng)法制備三種不同形貌TiAl3的Al-Ti中間合金，系統(tǒng)研究了TiAl3的鋁熔體反應(yīng)合成方法及其影響組織特征的因素，探討了Al-Ti中間合金中TiAl3的形態(tài)和分布對工業(yè)純鋁的晶粒細化作用與效果，分析了TiAl3在鋁熔體中的溶解演變行為及對細化效果產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明：熔體過熱溫度和保溫時間是影響TiAl3形貌尺寸的關(guān)鍵因素。

6、三種不同形貌TiAl3的Al-Ti中間合金對工業(yè)純鋁均表現(xiàn)出良好的晶粒細化效果。在相同中間合金加入量下，含有塊狀TiAl3的Al-Ti中間合金對工業(yè)純鋁的晶粒細化效果最好，含有塊狀和針狀TiAl3的Al-Ti中間合金對工業(yè)純鋁的晶粒細化效果次之，而含有針狀TiAl3的Al-Ti中間合金對工業(yè)純鋁的晶粒細化效果較差。隨著細化保溫時間的延長，三種不同形貌TiAl3的Al-Ti中間合金對工業(yè)純鋁的晶粒細化效果呈現(xiàn)出明顯不同的變化趨勢。含有塊狀

7、TiAl3的Al-Ti中間合金隨著細化保溫時間的增加，其晶粒細化效果沒有明顯的衰退趨勢。含有針狀TiAl3的Al-Ti中間合金對工業(yè)純鋁的晶粒細化效果隨細化保溫時間的延長，呈現(xiàn)出明顯的衰退趨勢。含有塊狀和針狀TiAl3的Al-Ti中間合金的晶粒細化效果隨細化保溫時間的延長，呈現(xiàn)一個峰值變化趨勢。分析認為TiAl3對α-Al的晶粒細化作用機理符合“TiAl3粒子異質(zhì)形核－溶質(zhì)Ti生長抑制復(fù)合作用”機制。Al-Ti中間合金對α-Al的晶粒細

8、化效果衰減是由于TiAl3在鋁熔體中的溶解造成的。
　?。?）對比分析了TiC在鋁熔體中單獨存在時的晶粒細化效果和TiAl3與TiC在鋁熔體中共存時的晶粒細化效果，研究晶粒細化過程中TiAl3對TiC細化效果的影響，以及TiAl3對TiC細化純鋁凝固過程中的潤濕角與形核率的影響，探討TiAl3對TiC細化效果的影響機理。結(jié)論如下：在相同的中間合金添加量下，（Al-TiC+Al-Ti）復(fù)合中間合金的晶粒細化效果和抗晶粒細化衰退性能優(yōu)

9、于Al-TiC中間合金。Al-Ti-C中間合金中適當(dāng)復(fù)合加入Al-Ti可以獲得更加優(yōu)異的晶粒細化性能。說明Al-Ti-C中間合金良好的細化效果離不開TiAl3和TiC的共同作用，且這兩種粒子必須保持適當(dāng)?shù)呐浔汝P(guān)系才能獲得良好晶粒細化效果。熱力學(xué)參數(shù)計算表明鋁熔體中存在TiAl3有助于減小TiC細化純鋁凝固過程中的潤濕角，提高其形核率。
　?。?）對Al-Ti-C中間合金進行重熔實驗和細化實驗，著重分析了重熔過程中鈦化物的演變行為及

10、對細化效果的影響，以及細化過程中鈦化物的沉降行為及對細化效果的影響，研究了Al-Ti-C中間合金重熔過程中組織的穩(wěn)定性和長效性，探討Al-Ti-C中間合金發(fā)生細化衰減的機理。結(jié)果表明：Al-Ti-C中間合金在730℃和1000℃下重熔，其共同特征是，隨著熔體保溫時間的增加，中間合金的相組成沒有發(fā)生明顯變化，但Al-Ti-C中間合金中鈦化物的分布、形態(tài)和尺寸大小發(fā)生了顯著變化。在730℃時，隨著重熔保溫時間的增加，原來彌散分布的TiC發(fā)生

11、偏聚，并被α-Al推向晶界處，而TiAl3發(fā)生溶解、偏聚和長大。在1000℃時，隨著保溫時間的增加，不僅TiC發(fā)生偏聚，而且TiAl3的大小和形態(tài)均發(fā)生顯著變化，TiAl3的形貌由塊狀、長條狀轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮尼樒瑺睢Ｖ厝跘l-Ti-C中間合金對純鋁仍具有一定的晶粒細化能力，但其晶粒細化能力較重熔前明顯減弱。Al-Ti-C中間合金中的鈦化物在重熔過程中存在明顯的鈦化物沉淀現(xiàn)象，且沉淀物中既有TiC，也有TiAl3；Al-Ti-C中間合金細化純

12、鋁過程中，隨著保溫時間的增加，也會出現(xiàn)大量的TiC沉淀現(xiàn)象。分析認為鈦化物在鋁熔體中的沉降行為導(dǎo)致Al-Ti-C中間合金細化效果發(fā)生衰減。熔體攪拌作用可以使部分TiC粒子重新彌散分布，恢復(fù)其細化效果。
　?。?）采用鋁熔體熱爆法制備Al-Ti-C中間合金，通過在制備過程中添加稀土Ce元素以改善石墨與熔體的潤濕性，制備了一種新型的Al-Ti-C-Ce中間合金細化劑，并探討稀土Ce對Al-Ti-C中間合金微觀組織結(jié)構(gòu)及晶粒細化效果的影

13、響機制。結(jié)論如下：采用鋁熔體熱爆法制備的Al-Ti-C中間合金由Al、TiAl3和TiC三種相組成，其中，TiAl3為平均尺寸為5×8μm的塊狀物，TiC呈團聚狀或顆粒狀分布在晶界上，尺寸大多在0.3~0.5μm。制備過程中加入稀土Ce元素制備的兩組Al-Ti-C-Ce中間合金中形成了Ti2Al20Ce稀土相，其中，800℃時制備的Al-Ti-C-Ce合金中TiC粒子呈團聚狀或顆粒狀分布在鋁基體和晶界上，平均尺寸約為0.3μm，而850

14、℃時制備的Al-Ti-C-Ce合金中不僅出現(xiàn)了條狀Ti2Al20Ce和條狀TiAl3，而且TiC顆粒明顯增大，平均尺寸約為0.5~1μm。制備的兩種Al-Ti-C-Ce中間合金細化劑對工業(yè)純鋁均具有優(yōu)異的晶粒細化效果，其中，鋁熔體溫度800℃時制備的Al-Ti-C-Ce中間合金在添加量為0.5wt.％，細化保溫時間為5min時，其細化的工業(yè)純鋁晶粒尺寸約為120μm，細化效果最好；在細化處理之后保溫30min仍能保持良好的晶粒細化效果。

15、分析認為稀土Ce元素的加入不僅改善了石墨與鋁熔體的潤濕性，使更多的C能夠在鋁熔體中與Ti發(fā)生反應(yīng)生成TiC顆粒，而且由于中間合金中的Ti2Al20Ce在細化過程中更易分解出大量的Ti原子，使得Al-Ti-C-Ce中間合金具有更加優(yōu)異的晶粒細化性能。
　　（5）將Al-Ti-C中間合金應(yīng)用于對Al-20Si合金的細化變質(zhì)處理，初步研究了A1-Ti-C中間合金對Al-20Si合金組織及性能的影響。結(jié)論如下：Al-Ti-C中間合金對過共

16、晶Al-20Si合金中初生硅和共晶硅均有明顯的細化變質(zhì)作用；當(dāng)Al-Ti-C中間合金的加入量0.6wt.%，變質(zhì)保溫時間為10min時，過共晶Al-20Si合金中初生硅的形狀由粗大的不規(guī)則板條狀變?yōu)樾K狀，共晶硅由長針狀變成球狀或短棒狀。經(jīng)0.6wt.%Al-Ti-C中間合金變質(zhì)保溫時間10min后，過共晶Al-20Si合金的抗拉強度從變質(zhì)前的91MPa提高到變質(zhì)后的150.7MPa，提高了65.6%；合金的硬度從變質(zhì)前的HB93提高到