納米TiN-Ti細化劑對Al與Al-Zn-Mg-Cu合金的細化效果及細化機理研究.pdf

1、Al-Zn-Mg-Cu高強度鋁合金是重要的航空航天結(jié)構(gòu)材料，在國防建設(shè)和國民經(jīng)濟發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位。但這類合金的合金化程度高，鑄坯易出現(xiàn)組織粗大和枝晶偏析等缺陷，嚴(yán)重影響其塑性加工性能和力學(xué)性能。細化晶粒是改善鋁合金質(zhì)量、提高其加工性能和力學(xué)性能的重要手段。目前，使用 Al-Ti-B類中間合金細化鋁合金晶粒是普遍采用的細化工藝。A1-T i-B類中間合金對多種鋁合金具有優(yōu)良的細化效果，但這類細化劑也存在一定問題，如 TiB2粒子聚

2、集沉淀和被合金中的Zr、Cr、V等元素“毒化”而失去細化效果等。往鋁液中添加超細陶瓷顆?？商峁┐罅康膹浬①|(zhì)點促進晶粒的異質(zhì)形核，細化鋁合金的鑄態(tài)組織，且外加超細陶瓷顆粒細化劑工藝具有良好的可控性，在各類鋁合金的晶粒細化中具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，外加超細陶瓷顆粒與鋁液的潤濕性差，顆粒難以均勻分散到鋁合金的熔體中，制約了這種細化劑的開發(fā)和應(yīng)用。
　　因此，開發(fā)新型高強度鋁合金用納米陶瓷顆粒復(fù)合晶粒細化劑，研究納米陶瓷顆粒對 Al-Z

3、n-Mg-Cu合金的凝固過程和時效動力學(xué)的影響規(guī)律及作用機制，為Al-Zn-Mg-Cu合金的鑄坯組織控制、熱處理工藝優(yōu)化和材料的性能設(shè)計提供試驗和理論基礎(chǔ)，對Al-Zn-Mg-Cu合金生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的意義。
　　本文采用高能球磨法制備金屬Ti粉末負載納米TiN晶粒細化劑（簡稱，TiN/Ti細化劑）。以工業(yè)純鋁和 Al-Zn-Mg-Cu合金為對象，研究了該細化劑對工業(yè)純鋁的細化效果及細化機理，研究了TiN/Ti細化劑對A

4、l-Zn-Mg-Cu合金鑄態(tài)組織和性能的影響；對TiN/Ti細化Al-Zn-Mg-Cu合金進行均勻化處理和熱擠壓變形，研究了固溶時效處理對TiN/Ti細化Al-Zn-Mg-Cu合金組織性能的影響，取得了如下研究成果：
　　TiN/Ti細化劑對純鋁具有良好的細化效果，可使純鋁的晶粒由1000μm的柱狀晶細化為80μm的等軸晶。細化劑良好的細化效果源于其組成和結(jié)構(gòu)，納米TiN顆粒可作為α(Al)的異質(zhì)形核襯底，促進α(Al)的形核，而

5、載體Ti粉熔化在納米TiN顆粒周圍形成高溫區(qū)，改善顆粒與 Al液的潤濕性，熔化的Ti向納米TiN富集在TiN顆粒表面形成不規(guī)則的富Ti區(qū)，進一步提高了TiN的形核能力；另一方面，少量聚集于枝晶前沿的納米TiN顆粒抑制了枝晶的生長速度，有利于晶粒的細化。
　　對比研究了添加0.2wt.％ TiN/Ti、Al-5Ti-B和Ti粉對Al-Zn-Mg-Cu合金鑄態(tài)組織的影響。結(jié)果表明，TiN/Ti可使α(Al)晶粒尺寸由400μm細化至1

6、34μm，小于Al-5Ti-B和Ti粉的208μm和236μm；合金的抗拉強度和顯微硬度由175 MPa和117.1 HV分別提高至215 MPa和125.3 HV。TiN/Ti細化劑處理鋁液保溫60 min，α(Al)晶粒無明顯長大，表現(xiàn)出良好的抗衰退性。
　　研究了TiN/Ti細化劑的加入量對Al-Zn-Mg-Cu合金微觀組織和性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)TiN/Ti加入量從0 wt.%升高為0.5 wt.%時，α(Al)晶粒尺寸

7、從400μm細化至78.5μm，晶間第二相ζ[Mg(Zn, Cu, Al)2]和θ(Al2Cu)也相應(yīng)被細化，沿晶界呈斷續(xù)分布。當(dāng)細化劑添加量為0.5 wt.%時，Al-Zn-Mg-Cu合金鑄態(tài)時的屈服強度、抗拉強度和顯微硬度分別為36.6 MPa、175MPa和118 HV，較未細化合金分別提高了103.8%、34.3%和29.2%。合金的屈服強度σy、斷裂強度σ0或顯微硬度HV與晶粒尺寸D之間均存在Hall-Petch關(guān)系，其中系數(shù)

8、ky、k0和kH分別為605 MPa·μm1/2、984 MPa·μm1/2和239 HV·μm1/2。當(dāng)加入量繼續(xù)增大到0.7 wt.%時，合金的組織開始粗化、其屈服強度、斷裂強度和顯微硬度開始下降。合金拉伸斷裂形式主要為沿晶斷裂，晶界及第二相和基體交界處容易產(chǎn)生裂紋源。TiN/Ti細化劑能減少合金元素的偏析，顯著改善 Al-Zn-Mg-Cu合金的抗剝落腐蝕性能，并減緩合金在全浸泡腐蝕中的失重速率，但隨著加入量的增加，失重速率有變大的

9、趨勢。
　　研究了固溶時效處理對TiN/Ti細化Al-Zn-Mg-Cu合金組織和性能的影響。結(jié)果表明，在固溶處理過程中，Al-Zn-Mg-Cu合金晶間的第二相θ(Al2Cu)和ζ[Mg(Zn, Cu, Al)2]能完全溶進基體，TiN能有效抑制合金晶粒長大，并提高合金顯微硬度。在時效處理過程中，未添加細化劑的合金主要析出相為η’相和θ相，有不連續(xù)的晶界析出相；加TiN/Ti的合金主要析出細小彌散的η’相和η相，無晶界析出相。合金的