稀土在Al-Ti-B-RE细化剂中的作用及细化机理研究

采用纯钛颗粒熔铸法制备Al-Ti-B-RE细化剂,并就稀土在Al-Ti-B-RE细化剂中的作用及细化机理进行了研究。结果表明:稀土元素加入后,增强了铝液对TiAl3、TiB2相的润湿性及异质形核能力,延缓细化剂的衰退时间;不同细化剂的细化效果主要取决于形核相TiAl3和TiB2粒子的特性,其中以TiAl3相的形貌、尺寸和数量影响较大,含有大量细小、弥散分布的块状TiAl3相的细化剂表现出良好的细化效果,而TiB2相成为影响α-Al有效形核数的主要因素,Al-Ti-B-RE细化剂的细化效果及抗衰退性优于进口或国产Al-Ti-B细化剂。     

Al-5Ti-1B合金的有效形核相与晶粒细化机制

Al-5Ti-1B合金是铝及铝合金的高效晶粒细化剂,可显著改善铝及铝合金的加工性能,提高铝材的质量,但Al-5Ti-1B合金对纯铝及铝合金的晶粒细化机制目前尚未研究清楚。本文分别采用Al-5Ti-1B,Al-10Ti,Al-4B合金和TiB2粉末对纯铝进行细化实验,通过比较TiAl3,TiB2和AlB2对铝晶粒的细化作用,利用光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜和透射电子显微镜,研究了Al-5Ti-1B合金的有效形核相和晶粒细化机制。结果表明,TiAl3是铝晶粒的有效异质形核相,但Al-5Ti-1B合金中的TiAl3因在铝熔体中会熔化而不是铝晶粒的直接形核相。单独的AlB2和TiB2都不是铝晶粒的有效异质形核相,但TiB2通过表面包覆TiAl3后可成为铝晶粒的有效异质形核相。Al-5Ti-1B合金细化铝晶粒的机制为:TiAl3熔解于铝熔体中释放Ti原子,一部分Ti原子通过浓度起伏形成TiAl3,TiAl3再与铝熔体发生包晶转变生成α-Al晶粒直接起到晶粒细化作用。剩余Ti原子在TiB2表面偏聚形成TiAl3,TiAl3再与铝熔体发生包晶转变生成α-Al晶粒起到晶粒细化作用。     

溶质Ti对Al-5Ti-1B晶粒细化剂细晶效果的影响

低合金化铝合金的铸态晶粒往往存在粗晶比例高、内外晶粒尺寸分布不均等问题。在晶粒细化剂添加量不变的前提下,通过改变熔体Ti含量的方式,研究溶质Ti含量对Al-5Ti-1B晶粒细化剂细晶效果的影响。采用试验和计算相结合的方式,利用荧光光谱仪测量熔体在保温炉和铸造流槽的元素变化,对铸锭低倍组织的宏观及微观组织偏光观察,通过热力学计算确定溶质Ti含量、生长限制因子Q、α-Al形核温度及其过冷度,揭示溶质Ti对α-Al的形核率和生长率的作用机制。研究表明:低Ti样品的低倍组织中存在大量粗晶和少量羽毛晶,晶粒尺寸呈现内高外低的趋势,分布区间为750~2500μm;高Ti样品低倍组织细小弥散,内外晶粒分布均匀,呈等轴晶,尺寸区间在100~120μm。此外,计算结果显示,当熔体中溶质Ti含量由1.52×10^(-4)%增长至1.07×10^(-2)%时,TiB_(2)/α-Al界面能逐渐增大,润湿角由约180°降低至近似0°,α-Al的瞬态形核率随之提升数十个数量级。同时,通过降低形核过冷度和提高生长限制因子,更高的溶质Ti含量有助于降低α-Al的生长速率。为充分发挥晶粒细化剂的细晶效果,熔铸工序中溶质Ti含量建议不低于1.07×10^(-2)%。     

电磁搅拌对Al-5Ti-1B的显微组织与晶粒细化能力的影响

在中间包对Al-5Ti-1B熔体施加电磁搅拌,然后连续铸挤成Al-5Ti-1B丝,研究了电磁搅拌对Al-5Ti-1B的显微组织与晶粒细化能力的影响,结果表明:电磁搅拌能够阻止TiB2粒子的团聚和沉淀,改善TiB2粒子的分布均匀性,提高Al-5Ti-1B的晶粒细化能力.Al-5Ti-1B的Ti、B元素含量分别为5.08%和1.02%,TiB2粒子平均尺寸为0.74μm,TiAl3相平均尺寸为15.7μm.添加0.2%的Al-5Ti-1B后保温2 min,可使纯铝晶粒从2 800μm细化至68μm,保温120 min,晶粒未见长大.     

电磁搅拌对A1-5Ti-1B的显微组织与晶粒细化能力的影响

在中间包对A1-5Ti-1B熔体施加电磁搅拌,然后连续铸挤成A1-5Ti-1B丝,研究了电磁搅拌对A1-5Ti-1B的显微组织与晶粒细化能力的影响,结果表明：电磁搅拌能够阻止TiB2粒子的团聚和沉淀,改善TiB2粒子的分布均匀性,提高A1-5Ti-1B的晶粒细化能力．A1-Ti1B的Ti、B元素含量分别为5．08％和1．02％,TiB2粒子平均尺寸为0．74μm,TiAl3相平均尺寸为15．7μm．添加0．2％的AI-5Ti-1B后保温2min,可使纯铝晶粒从2800μm细化至68μm,保温120min,晶粒未见长大．     

Ce对A356合金的影响及细化机制的研究

研究了Ce对A356铝合金晶粒细化的效果以及对其力学性能的影响。结果表明:在未添加稀土Ce时,A356铝合金结晶时,其中的初生相α-Al呈现为粗大的树枝状。在添加不同量的稀土Ce时,A356铝合金中的初生相α-Al明显得到细化,树枝状晶转化为等轴晶。在Ce合金添加量为0. 1%时其细化效果最好,α-Al的等效直径和形状因子均达到最优水平,分别为24. 5μm和0. 61;二次枝晶臂间距最小,平均二次枝晶臂间距为14. 63μm;其力学性能也达到最佳,抗拉强度和延伸率分别为165. 89 MPa和3. 5%,合金的硬度为HV 77. 6。添加量超过0. 1%时,其细化效果会随着添加量的增加而逐渐减弱。稀土Ce对于合金晶粒细化比较符合异质形核理论,Al-Ce中间合金中的Al11Ce3和α-Al具有相似的晶体结构,而且晶格常数也能与之相对应。在A356合金液中添加Al-Ce中间合金时,Al11Ce3粒子作为A356合金凝固时的异质形核点从而促进细化。     

稀土和镁对TiB2/A356复合材料微观组织的影响

采用混合盐反应法原位合成TiB2/A356复合材料,研究了Mg和RE元素对复合材料的微观组织的影响,并探讨了其作用机理.结果表明,在5％ TiB2/A356复合材料中加入1.5％ Mg时,TiB2颗粒尺寸得到细化且分布均匀.当Mg含量达到3％时,其对TiB2细化作用减弱.在联合添加Mg和RE元素时,能够进一步细化样品中的TiB2颗粒、α-Al和共晶Si相,且能使TiB2颗粒分布更加均匀.随着RE含量的增加细化效果更加明显.     

Al–5Ti–1B合金显微组织与细化机理

采用粉末混合+热挤压和粉末混合+气雾化+热挤压两种工艺制备了Al–5Ti–1B合金杆,研究了两种工艺制备Al–5Ti–1B合金的显微组织,并进行了晶粒细化性能评定。结果表明:两种制备工艺均可以使TiB₂粒子均匀分布,并抑制TiAl₃相的长大。在7050铝合金熔体中分别添加质量分数为0.2%的两种工艺制备的Al–5Ti–1B合金,添加粉末混合+热挤压工艺制备的Al–5Ti–1B合金后,7050铝合金晶粒细化效果不明显,铝合金晶粒尺寸仍达1400 μm;添加粉末混合+气雾化+热挤压工艺制备的Al–5Ti–1B合金后,7050铝合金晶粒细化效果非常好,铝合金平均晶粒尺寸仅有176 μm。根据此实验现象,对Al–5Ti–1B合金晶粒细化双重形核机理提出新的解释。     

钇对Ti-43Al-9V合金组织性能的影响

采用OM，XRD，SEM和TEM等测试方法，分析了稀土元素(Y)对Ti—43Al—9V合金显微组织以及力学形能的影响。实验结果表明，Ti—43Al—9V—0．3Y合金由γ相、α2相、B2相和YAl2相组成；添加稀土可以细化Ti—43Al—9V合金的晶粒尺寸，并促进细小的α2／γ层片形成以及细化粗大的α2／γ／B2层片。对TiAl合金力学性能测试表明，适量添加稀土Y(0．3％，原子分数)可明显改善合金的室温强度和塑性，但过量添加将会造成材料性能降低；断口分析表明过量添加稀土导致沿晶断裂比例增加将损害TiAl合金的性能。     

淬火/回火热处理对TiAl基合金晶粒细化的影响

研究了淬火/回火热处理中淬火温度和回火时间对Ti48Al2Cr0.5Mo合金晶粒细化的影响。研究结果表明:一定的淬火/回火热处理能将粒径约为1 000 μm的铸态组织细化成为18～30 μm的均匀双态组织。TiAl基合金的细化效果与淬火阶段的加热温度密切相关,温度升高,得到的块状组织较细,羽毛状组织体积分数减少。在两相区回火时,高温淬火组织的回火组织较细,而随时间的延长晶粒长大,但不明显。此外,从理论上探讨了淬火/回火工艺细化TiAl基合金显微组织的机理。