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第6 0 卷第2 期 2 008 年5 月 有色鑫属 N o n { e r r o o t sM e t a l s V 0 1 ．6 0 ．N o ．2 ．M a y 2008 铝熔体中热爆反应合成A 1 1 0 T i 中问合金 侯运丰1 ，夏天东2 ，赵文军2 1 ．兰州理工大学机电工程学院，兰州7 3 0 0 5 0 ；． 2 。兰鳆理工大学彗肃窖表色金属薪糟辫省部共建萎家重点实验宝，兰嬲7 3 0 0 5 0 摘 翼以A l 和T i 粉末为原料，采用铝液中热爆．陵应技术制备A I - 1 0 T i 中阍合金晶粒细化荆，通过x 射线衔射 X R D 、扫描 魄镜 S E M 缎差热分析仪 D S C 等手段辩究锯滚强发对芨瘟过程摹珏A j ．王O 曩中弼仑金组织形态的影魂。结果袭锈，热爆反墩会残 戆深始产物蠢箱裙A b 曩掰穗组成，器滚滚度对中蠲会金中A t 3 T i 的建寸、分奉裔麓要影蘸，8 0 0 ℃锯渡孛合成黪A 0 1 0 T i 牵麓合金 具有良好的晶粒细化性能，通过控制铝液温度和原料趟厂n 比可有效控制A 1 3 T i 的组织形态，对细化效果产生影响。 关键词金属材料；龋粒细化剂；热爆反应；A I - T i 中间合金。 孛嚣分类号T G l 4 6 。2 1文藏躲浚码A交塞编号1 0 0 1 ～0 2 1 1 2 0 0 8 0 2 0 0 0 5 0 4 ’晶粒细化技术是提高材料强度和塑韧性的重要 手段，霹有效改善铝及镪合金裁品静秀瑟王质爨。在 熔铸过程中向铝及铝合金熔体中添加少量晶粒细化 剂，是工业生产中最为简便、有效的晶粒细化方法。 越一5 纛作为传统的晶粒缨佬裁，基嚣在锯板材、型材 的晶粒细化中仍存在较大需求，近2 0 年来国内外一 直努力寻求新型从T i 中间合金的制备方法。然 { 磊，臻嚣苍炼法仍然是刽备A 1 5 T i 巾趣合金鹃主要 方法，通过向镪合金液中添加T i 以获得越，T i ，但为 了保证T i 的充分溶解，嚣要采用较高的熔炼温度， 造成麓耗大、藏本高等阗题，阕爵愆，曩是在凝匿过 程中通过形核、生长形成的，在通常的铸造条件下， 越。T i 形成针状或大块状，严重影响形核质点数量， 晶粒缅佬效果较差，哭麓适应一垫低端产品黪晶粒 细化要求。 近来自蔓延高温合成技术铡备金属基复合材料 所其有懿增强糨尺寸缎夺、热力学稳定及表露洁净、 与蒸体结合良好等诸多优点，给A 1 。5 T i 中间合金的 裁备提供了新思路。研究表骥，采用铝液中的热爆 反应可加快合成速度，提高原材料的利用率，有效控 制～，T i 形态，最终获得包含大量分散的、细小块状 越繁i 颗粒的烈．西孛茂合金。有效形孩质点数量 的增加将大幅度提高A 1 1 0 T i 中闻含金的晶粒细化 收璃丑期2 0 0 6 ～1 2 一0 5 基金疆蠢蓬家“8 6 3 ”拜翅礓嚣 2 0 0 3 A A 3 3 X 0 5 0 ；茸旁省鑫然耱学 基金资助项目 3 z S 0 4 2 一B 2 5 0 1 1 作者简介侯运率 1 9 7 1 一 ．男，山西太原市人，副教授，博士生，主 要跌搴秘鹞菲平鬻彰餐等方嚣的聚宠。 性能，主要表现为响应时间缩短、形核质点数量增 鸯羹。采震镪滚孛热爆会成法获缛生越最程鑫一整两 相组成、寓含细小块状～3T i 粒子的新型A 1 ．1 0 T i 晶 粒细化剂，并研究了铝液温度对趾一T i 中间合金微 观终织形态及鑫粒缨辱乏性能的影响。 1实验方法 选震忿粉≤平均粒凄7 5 t t m ，纯度9 9 。7 ％ 、零i 粉 平均粒度5 5 弘m ，纯度9 9 ．6 ％ 为原料。将原料 粉末按一定比例配比后，在球磨机上千混2 h 。然后 将混合辩在镪模内冷篷成垂3 0 m m 3 0 m m 、理论密 度5 0 ％的预制块。将预制块加入过热至7 3 0 ，7 5 0 ， 8 0 0 ，9 5 0 ℃的一定量烈熔体 按最终T i 含量l O ％计 算 中舞瀑，表面颜色逐渐圭瞳红色霆浅黄、亮宣转 变，此停留一定时间。达到热爆温度后，突然由芯部 引燃进行热爆合成反应。烈．T i ．C 中闻含金的宏观 合成遗程也分力两步，覆制块被锓液快速加热，温度 迅速并发出强光，随后体积逐渐增大并向铝液扩散， 充分搅拌，保温5 r a i n 后在金属激中浇注中间合金试 样。 分别采用R i g a k uD ／m a x - ⅡA 型X 射线衍射仪 X R D 和H i t a c h iS - 5 2 0 扫描电镜 S E M 对合成的 中阕合金进行穗缓戎与缓织缨檎分柝。在瞧阻炉孛 熔化工业纯铝 9 9 ．8 ％ ，在铝液温度7 3 0 ℃时加入 0 ．1 ％的巾闻合金作为晶粒细化剂，保温l O m i n ，搅 拌均匀焉浇入镉模审，取窭试襻，冷帮至窒漫后薤底 面l O m m 处切开，磨制抛光后用H F H C l 水溶液适 度腐蚀，采用线切割法测量晶粒大小，并进行细化组 织观察。 万方数据 6 有色金属第6 0 卷 2 试验结果及分析 ‘ 2 ．1 差热分析及宏观反应过程 从图1 所示A 1 1 0 T i 体系D T A 曲线可以看出， 在6 6 0 ℃附近存在一个明显的吸热峰，对应于舢的 熔化 铝熔点为6 6 0 ℃ ，而在7 6 0 ℃附近出现的强放 热峰应对应于～和T i 之间形成T i A l x 化合物的反 应，此反应过程中将释放出大量热。 表1 为热爆合成A 1 ．1 0 T i 中间合金反应过程参 数。铝液温度低于7 3 0 ℃时，加热速率低，不足以引 燃预制块发生热爆反应，预制块在铝液中停留较长 时间后无明显反应，搅拌后发现大量T i 粉沉淀于坩 锅底部。由表1 可见，反应初期预制块被铝熔体持 续加热，热量由外层向内传递熔化低熔点铝，铝液温 度升高使加热速率提高，因此起始反应时间 预制块 在铝液中的停留时间 相应降低，另一方面加热速率 提高使反应体系热量散失减弱，因而燃烧温度增加。 p 叠 q 温度／℃ 图1A 1 ．1 0 T i 体系的D T A 曲线．‘ F i g ．1 D T Ae u l v e ． o fA I - I O T im i x t u r ew i t ha t1 5 “ C ／m i n u n d e ra na r g o na t m o s p h e r e 表1 反应过程参数 T a b l e1P a r a m e t e r so ft h e r m a le x p l o s i o ns y n t h e s i s 2 ．2 铝液温度对A I ．1 0 砸中间合金组织形貌的影晌 铝熔体中～、T i 混合粉末预制块的热爆反应合 成属于液一固反应过程，反应发生之前，铝熔化并铺 展于T i 颗粒表面，发生固液反应生成～3 T i ，并释放 出大量热，当T i 浓度达到0 ．1 5 ％时析出触，T i 。图 2 是不同温度铝液中A I 一1 0 T i 热爆合成产物的S E M 形貌，图2 a 中大量舢，T i 粒子从未消耗完的原料 T i 颗粒中析出，并围绕其分布，生成的2 ～4 p m 的细 小块状m ，T i ，远小于原料尺寸，具有溶解．析出特 征。由于越在T i 中的扩散速度较高，趾可以进一 步通过趾，T i 层侵蚀T i 粒子，形成上述组织形态。 铝液温度提高后，预制块体系的反应温度提高， 反应更加充分，图2 b 凝固的中间合金组织中无剩 余T i 存在，仅存在分散分布、尺寸3 ～5 t z m 的块状 A 1 3 T i 。1 0 0 0 ℃铝液中，中间合金组织中从T i 已由 细小块状转变为长棒状，具有过饱和舢一T i 熔体中 析出的特征，如图2 c 所示。此形态时取向仅为 [ 1 1 0 ] 面，难以迅速形成大量形核质点，不利于中间 合金的细化性能。因此，8 0 0 ℃铝液中合成的址 1 0 T i 中间合金～3 T i 粒子均匀细小，晶粒细化过程 中可迅速产生大量形核质点，且缩短响应时间。 a 一7 5 0 ℃； b 一8 0 0 ℃； c 一1 0 0 0 ℃ 图2 不同温度铝液中A 1 ．T i 热爆合成产物的S E M 形貌 F i g ．2S E Mm i e r o s t r u c t u r e ．so ft h e r m a le x p l o s i o ns y n t h e s i z e dA I T ip r o d u c t si nm e l tA I 万方数据 第2 期侯运丰等铝熔体中热爆反应合成A I 一1 0 T i 中同合金 7 图38 0 0 ℃铝液中热爆合成A 1 ．T i 中间合金的O M 形貌 F i g ．3O Mm i e m s t r u e t u r e so ft h e r m a le x p l o s i o ns y n t h e s i z e d ．A I - T ip r o d u c t si n8 0 0 ℃A 1m o l t e n 图3 和图4 分别是8 0 0 1 2 铝液中热爆合成的 A 1 1 0 T i 中间合金的O M 形貌和X R D 图谱。图3 中 灰色细小块状颗粒为～3 T i ，尺寸为5 ～1 2 ／卫m ，在铝 基体中均匀分布。由图4 可知，8 0 0 1 2 液中热爆合成 的～一1 0 T i 中间合金由趾和A b T i 两相组成。 L J 、， 。 ．．_ 。～． 。 一 } 一曩i 2 03 0 4 0 5 ‘J 6 0 7 0 8 0 q ’ 2 0 ／ 。 图48 0 0 ℃铝液热爆合成A 1 ．T i 中间合金的X 射线衍射图 F i g ．4 X R Dp a t t e r no ft h e r m a le x p l o s i o ns y n t h e s i z e d A l T ip r o d u c t si n8 0 0 “ CA Im o l t e n 2 ．3 A I ．1 0 T i 中间合金对工业纯铝的细化效果 图5 是工业纯铝的晶粒平均尺寸随细化保温时 间的变化曲线。从图5 可知，加入1 ％的H T ～T i 一3 中间合金，取得较好的工业纯铝晶粒细化效果。当 细化时间达到3 m i n 时，晶粒尺寸由6 0 0 t - m 细化到 2 2 5 ／- m ，保温时间8 m i n 内细化效果无明显衰退，但 当保温时间大于8 m i n 后，细化效果明显衰退。而加 入1 ％的H T A i T i ．2 中间合金后取得一定的细化效 果，当细化时间4 m i n 时，工业纯铝晶粒尺寸由 6 0 0 t 嚏m 细化到4 2 5 “m 。H T A i T i 一4 中间合金加入后 无晶粒细化效果。 可见，铝液中热爆合成的A 1 ．1 0 T i 中间合金中 A i 3 T i 粒子形态对其细化能力具有重要作用，中间 合金中细小、块状并在铝基中分散分布的触3 T i ，在 晶粒细化初期作为有效形核质点，细化响应时间短， 同时部分舢，T i 迅速溶解释放溶质T i ，保证了晶粒 两个基本细化条件，具有良好的细化性能。然而，热 爆合成的A 1 ．1 0 T i 中间合金抗衰退能力较差，属于 短效晶粒细化剂。 ￡ E 、 号 Z 露 斗 翼 奄 02468l J 保温时问，m i n 图5 晶粒平均尺寸随细化保温时间的变化曲线 H g ．5 V a r i e dc u r v eo fr e f i n i n ge f f e c to fA I - 1 0 T im a s t e ，rA l l o y 3结论 铝液中热爆合成的A 1 1 0 T i 中间合金由m 和 ～，T i 两相组成，铝液温度对其组织形态有重要影 响，8 0 0 ℃铝液中获得的中间合金组织中包含大量分 散分布、尺寸3 ～5 肛m 的块状鸽T i ，而1 0 0 0 1 2 时中 间合金组织中仙T i 为2 0 ～1 0 0 t - m 的长棒状。 8 0 0 1 2 铝液中热爆合成的A 1 ．1 0 T i 中间合金对工业 纯铝有良好晶粒细化效果，但抗衰退能力较差。 参考文献 [ 1 ] 介万奇，K a n d a l o v aEG ，张瑞杰，等．S H S 法制备A b T i ／A I 复合材料的研究[ J ] ．稀有金属材料与工程，2 0 0 0 ，2 9 3 1 4 5 1 4 9 ． [ 2 ] K a n d a l o v aEG ，N i k i t i nVI ，J i eW ，e ta 1 ．E f f e c to fA Ip o w d e ro o n t e n to nS H S 肚T ig r a i nr e { i n e r [ J ] ．．M a t e r i a l sL e t t e r s ， 2 0 0 2 ，5 4 5 1 3 1 1 3 5 ． [ 3 ] 刘相法，边秀房．A I T i 中间合金中T i 驰形态及对细化效果的影响[ J ] ．热加工工艺，1 9 9 7 ，2 1 1 9 1 1 ． 4 ] 姜文辉，B A D I N IC ．X D 法合成T i C ／A I 复合材料的机制 J ] ．复合材料学报，1 9 9 8 ，1 1 5 5 2 5 5 ． [ 5 L iP e i j i e ，K a n d a l o v aEG ，N i k i t i nVI ．I ns i t us y n t h e s i so fA 1 一T i Ci na l u m i n u mm e l t [ Jj ．M a t e r i a l sL e t t e r s ，2 0 0 5 ，5 9 3 万方数据 8有色金属第6 0 卷 2 5 4 5 2 5 4 8 ． 1 6 ] 孙浇东，梅炳初，袁润章，等．T i ．G ～体系热爆合成过程 J ] ．金属学报，1 9 9 6 ，3 2 1 0 1 1 0 2 1 1 0 5 ． 7jN i k i r i nVI ，J i eW ，K a n d a l o v aEG ，e ta 1 ．P r e p a r a t i o no fA 1 一T i Bg r a i nr e f i n e rb yS H St e c h n o l o g y [ J ] ．S e r i p t aM a t e r ，2 0 0 0 ， 4 2 6 5 6 1 5 6 5 ． [ 8 B r i n k m a nHJ ，Z u p a n i cF ，D u s z e z y kJ ．P r o d u c t i o no fA 1 一T i Cg r a i nr e f i n e ra l l o y sb yr e a c t i v es y n t h e s i so fe l e m e n t a lp o w d e r s P a r tI ．R e a c t i v es y n t h e s i sa n dc h a r a c t e r i z a t i o no fa l l o y s [ J j ．J o u r n a lo fM a t e r i a l sR e s e a r c h ，2 0 0 0 ，1 5 1 2 2 6 2 0 2 6 2 7 ． [ 9 3J i a n gW H ，S o n gG H ，k l a nX L ，e ta t ．S y n t h e s i so fT i C _ ，A Ic o m p o s i t e si nl i q u i da l u m i n u m [ j ] ．M a t e r i a L sL e t t e r s ，1 9 9 7 ，3 2 8 6 3 6 5 ． P r e p a r a t i o nA I - 1 0 T iM a s t e rA l l o y sb yT h e r m a lE x p l o s i o nS y n t h e s i so fP e r f o r m si nM o l t e nA l u m i n u m H O UY u n - f e n 9 1 ，X I AT i a n d o n 9 2 ，Z H A OW e n - j u n 2 1 ．C o l l e g eo fM e c h a n o - E l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g ，L a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，L a n 抽o u7 3 0 0 5 0 ，C h i n a ； 2 ．S t a t eK 缈L a bo fG a n s uA d v a n c e dN o n - f e r r o u sM e t a lM a t e r i a l s ，L a n z h o uU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y ，L a n z h o u7 3 0 0 5 0 ，C h i n a j A b s t r a e t、 T h eA 1 1 0 T im a s t e ra l l o yf 1 8g r a i nr e f i n e ri sp r e p a r e db yt h e r m a le x p l o s i o ns y n t h e s i so fp e r f o r m si nm o l t e n a l u m i n u mw i t hA 1 ，T ia n dCa sr a wm a t e r i a l s ．T h ei n f l u e n c e so fm o l t e na l u m i n u mt e m p e r a t u r eo ns y n t h e s i sp a r a m e t e r sa n dt h em i c r o s t r u c t u r e so fA I l O T im a s t e ra l l o ya r ei n v e s t i g a t e db yu s i n gD T A ，X R D ，S E M ．T h er e s u i t ss h o wt h a tt h es y n t h e s i z e dA I 一1 0 T im a s t e ra l l o yc o n s i s t so fA 1a n dA 1 3 T i ．T h eS i z ea n dd i s t r i b u t i o no fs e c o n d p h a s ep a r t i c l e si ns y n t h e s i z e dp r o d u c ta l er e m a r k a b l yi n f l u e n c e db yt h et e m p e r a t u r eo fm o l t e na l u m i n u m ．T h e A 1 一l O T im a s t e ra l l o y ss y n t h e s i z e da t8 0 0 ℃p o s s e s s e se x c e l l e n tg r a i nr e f i n i n gp e r f o r m a n c e ．T h em o r p h o l o g yo f s e c o n dp h a s ep a r t i c l e sA b T ii nA 1 1 0 T im a s t e ra l l o yc a nb ec o n t r o l l e db ya d j u s t i n gm o l t e na l u m i n u mt e m p e r a t u r e a n dA 1 ／T ir a t i o ，S Oi m p r o v e st h eg r a i nr e f i n i n gp e r f o r m a n c eo ft h er e f i n e r ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；g r a i nr e f i n e r ；t h e r m a le x p l o s i o ns y n t h e s i s ；A 1 1 0 T im a s t e ra 1 1 0 y 万方数据
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