重熔保温时间对Al-Ti-C中间合金微观组织及细化性能的影响.pdf

4 2 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年6 翅 重熔保温时间对A i T i C 中间合金微观 组织及细化性能的影响 丁万武，赵文军，夏天东，候运丰 兰鲻联工大学，营南省有色套属新荣辫嚣都共建邕家重点实辘塞，兰弼7 3 0 0 5 0 ； 兰州理工大学，有色金属合金及加工教育部重点实验室，兰州7 3 0 0 5 0 麓要巅趸A l 、T i 、C 耢宋躲辩，栗霜韬褡舔热攥法台成了稿溺戒分不溺簸褒组织形貌静瑟释A i ．T i ．C 孛 阐合金晶粒细化剂。借助X 射线衍射 X R D 、大型光学显微镜 M E F 3 等分析乎段研究了蕊熔保温时 闻对A 1 - T i C 中间合金微观组织及细化效果的影响。结果表明食成的两种A l T i C 中阊会众均由A 1 、 T i A l 3 秘T i C 筑壤。重熔激，爨澄嚣翘慰A k T i - C 孛瓣会金鼗鼹绫缀产生重荽影赡。蘧罄鬟港镰溢黠窝 的延长，T i A b 会发生聚集、长大，而T i C 颗粒有聚集倾向，但保温过程中，T i A l 。和T i C 裙表现出较强的 稳定性．并没有生成其他杂相如A 1 c 3 等。重熔后的A l - T i C 中间合金仍具有一定的晶粒细化能力。 关键诲A I - T i - C 中恳会金；T i A I s ；T i C ；熬熔保温时蜒；晶粒细化 枣霭分类号T 0 1 4 6 。{文献标浚碣A 文章编号1 0 0 7 - - 7 5 4 5 { 2 0 0 8 0 6 - - 0 0 4 2 - - 0 5 E f f e c t so ft h eH o l d i n gT i m eo fR e m e l t i n gO i lt h eM i c r o s t r u c t u r ea n dG r a i n R e f i n i n gP e r f o r m a n co fA l - T i - CM a s t e rA l l o y D I N GW a n ⋯W L ，Z H A OW e n - j u nrX I AT i a n - d o n g ，H O UY u n f e n g S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fG a n s uA d v a n c e dN o n - f e r r o u sM e t E IM a t e r i a l s ，L a a 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 z h o u7 3 0 0 5 0 ，C h i n a } K e yL a b o r a t o r yo fN o m f e r r o u sM e t a lA U o y s T h eM i n i s t r yo fE d u c a t i o n ，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 z h o u7 3 0 0 5 0 ．C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c t so ft h eh o l d i n gt i m eo fr e m e h i n gO nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dg r a i nr e f i n i n gp e r f o r m a n e o fA l - T i ‰Cm a s t e ra l l o yw i t ht h es a m ec o m p o s i t i o na n dd i f f e r e n ts t r u c t u r a lm o r p h o l o g i e sp r e p a r e db yt h e r r e a le x p l o s i o nm e t h o do fs e l f - p r o p a g a t i n gh i g h t e m p e r a t u r es y n t h e s i s S H S i na l u m i n u ml i q u i dw i t hA I ， T i ，Cp o w d e rh a v eb e e no b s e r v e db yX r a yd i f f r a c t i o n X R D ，l a r g eo p t i c a lm i c r o s c o p e M E F 3 ，a n do t h e rm e a n s ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt W Ok i n d so ft h eA t - T i Ca r ec o m p o s e db y 下i A 毛，T i Ca n dA t ．T h eh o l d - i n gt i m eo fr e m e h i n gh a sa nr e m a r k a b l yi m p a c t0 nt h eA 1 一T i - Cm i c r o s t r u c t u r e ．W i t ht h ee x t e n s i o no fh o l d - i n gt i m eo fr e m e h i n g ，T i A l aa g g r e g a t e da n dg r o w nu p ，a n dT i Cg a t h e r e d ，b u tT i A l 3a n dT i Ch a v eas t r o n g p e r f o r m a n c eo fs t a b i l i t ya n dt h e r ei Sn oo t h e rm i s c e l l a n e o u ss u c ha sA 1 { C 3i nt h ep r o c e s so fr e m e h i n g ．T h e A l T i Cm a s t e ra l l o y sw h i c hh a v eb e e nr e m e h e ds t i l lh a v eac e r t a i ng r a i nr e f i n i n gc a p a c i t y ． K e y w o r d s A 1 一T i Cm a s t e ra l l o y ；T i A l 3 ；T i C ；H o l d i n gt i m eo fr e m e h i n g ；G r a i nr e f i n e m e n t 近年来，A l T i C 的研究得劐了入们酌逐渐重 视。有研究表呀“．农某些情况下，A l T i C 比A 1 。 T i - B 能达裂更妊的缨他效暴，泼T i C 粒子为圭懿缨 化剂并没有T i B 2 粒子的缺点，驻示出较小的尺寸 o ．5 ～L5v m 、较低的聚集倾向和对Z r 和C r “中 毒”戆免痰力∞，并嚣C 瓣栗源广泛且胃实褒生产 基金项网唇家8 6 3 计期项目 2 0 0 3 A A 3 3 X 0 5 0 ；甘肃省自然科学基金项目 3 Z S 0 4 2 - - B 2 5 - - O l I 作者篱奔丁万武 1 9 7 9 - - ，男，甘辩武威人。瑗嫩。 万方数据 鸯惫金震 援炼部分 2 0 0 8 簪6 絮 4 3 的绿色化。A b T i C 中间合金被认为是一种有良好 寝愆藩暴势被重赢磷究骜燕糠缍纯帮。】。遥年来 圜内外对A l T i C 晶粒细化剂的研究开发蓬勃发 展。劳取褥 一定进展，甚至A I - T i - C 熬粒缨诧裁已 经小批量投入了工业应用 s 】。在新型A I - T i - C 中间 合念铸锭挤压成线材的过程中，会产生大量的中阅 合衾废料，瑟能否稷好的利爝这些废耱取决予A l | T i C 中闻合金在重熔过程中其组织的稳定性及长 效燃。秀毒，A l r T i e 孛霹会金在缨化缝锯熬过程 中，T i A I 。和T i C 能番稳定存在是其良好晶粒细化 效槊的一个爨要条体，也是众多学者◇论的焦点之 一。因此，豫者采用锅熔体热爆法含成了福冈成分 不同微观组织形貌的两种A 卜T i C 中间合金晶粒细 诧蠲，研究了串惩会金铸锭在重熔辩绦溢醴麓霹 A 1 - T i C 细化合金微观组织及细化效果的影响，以 期隽A 1 ．T i e 缨诧会念戆生产提供有益帮助。 1实验方法 采餍镱熔俸燕瀑法裁备A l T i e 串闫台垒。将 一寇比例进行配比的原料粉米 A 1 粉9 9 ．6 ％．T i 粉 9 氍，e 粉9 9 ％ 在球磨褪上瀑籽磊篷残覆镪块。 按铸锭成形后T i 的质量百分比为3 ％称得相应的 锯块，并将锻块在井戏电阻炉中熔化 熔化温度分别 设定在7 8 0 ℃、9 0 0 ℃ ，待纯锚完全熔亿后，将压好 的预制块压入铝液巾，待预制块完全反应后，搅拌直 至A l - T i _ C 宠全熔纯，待瀣度分襄稳定在7 8 0 ℃、 9 0 0 ℃时浇淀成形，获得A l 一3 ％T i 一0 ．5 ％C 和A I 一3 必T i O ，3 7 弼C 垮阉舍金。 在A l 。O s 坩埚中，分剐熔化一定艟的已经静j 备 好的两种中间含金，过热至 7 3 0 士5 ℃，分别保温 3 0 、6 e 摹瑟1 2 0r a i n ，然露缓慢隧炉冷茚。将重熔耱 A 1 - T i C 中间合金铸锭制成金相试样，采用X R D 衍 射仪分橱著确定其主要物耀，耀大型光学显微镜 M E F 3 观察其微观组织。 晶粒细化实验是在电阻炉中进行的。在A l 。嘎 瑶瑙书，熔诧一定量魏工监缝锯，过热至 7 3 0 士 5 ℃．保温；然聪按细化后试样的T i0 ．0 2 ％加入中 溺台金缀纯蓑，缳漫5 ～1 2 0r a i n ，浇注弼锥形铸铁 横中。从铸键中央销开，制成金棚试样，按 G B 3 2 4 6 ．1 ～3 2 4 6 ，2 2 0 0 0 截躐法进行晶粒度评 定． 2实验结暴 2 ．1 台成的两种A I - T i - C 中间禽金 甏l 是A l 一3 必T i ～0 。5 ％C 中闯会金的微漫 组织和X R D 衍射谱，可以看出，该中闻念金由A l ， T i A I s 和T i C 组成。大凝的T i M 。呈块状且均匀分 布，数鬃较多，必亏约为5 ～8v m ，T i C 鬏粒弥散分 布在基体上。而A l 一3 “T i 一0 ．3 7 ％C 中间合金摄 瞧鑫A l 、T i A l 3 鞠T i C 缝成，握熬爨含T i C 与A l 一 3 ％T i O ．5 蹦C 中间合众相比较少 图2 ，T i A l 。是 块状和针状混杂且分布不均匀 图2 a 。合成的两 种晶藏缩亿裁中都没有其它的杂相，魏A l ；C 3 等。 如果将这两种禽有T i A l 3 和T i C 的中间含金重熔， 其孛瓣A l 基褡会被锫液快速熔纯，{ 嚣T i A l ；程T i C 则会分布于铝熔体中。因此，本文将这两种晶粒细 诧剂米进行重熔试验，考察保激慰闯对 i A l 3 联 T i C 在铝熔体中的稳定性及细化效果的影响。 图1A l 一3 ％_ I ．i o ．5 ％C 中间裔金微观组织 a 殿X R D 谱 b F i g ，1 M e t a l l o g r a p h a } a n dX R Dp a t t e r n b o fA i 一3 ％T i 一0 。S ％C 2 ．2 重熔保温时间对A l T i - C 中闻龠金微观组织0 ．5 ％C 中间合金在重熔保温3 0r a i n 、6 0r a i n 后的 的影响微观组织照片。与图1 对比可以看出A l ～3 ％T i 一 图3 为离倍显微镜下鬣察鹫酶A 1 3 菇T i 一0 ．5 菇C 串藩含念在重熔保温3 0r a i n 后，孛闽舍金 万方数据 4 4 有色金羼 冶炼部分 2 0 0 8 年6 期 微观组织没有明显变化，但在重熔保温6 0r a i n 后， 中问合金中块状T i A l 。发生聚集和长大，尺寸由原 蓉魏5 ～8 弘m 长大瑟1 5 ～2 5 弘r n ，露薅褒申阕会金 基体上出现了大量的黑色小颗簸团，结合X R D 和 E P M A 分析显示，这贱小颗粒团照来自中间合金的 T i C 颗粒。获重熔露A l 一3 强藏一0 。5 ％C 孛阕会 金的X R D 衍射图谱 图4 可以餐出，重熔保温后中 阆合金仍虑A 1 、T i A I 。和T i C 缀成，没有其它的杂 摆，蘩A 1 4 Q 等，只是善i A 毛耱秘Z i C 搽静绦辩量每 重熔前相比有所变化。随重熔保温时间的增加， T i A l ；相的相对量有增多趋势，瓤T i C 的相对量在 秘显藏少。 图2A l 一3 ％弼一0 ．3 7 ％c 中游禽金锨观缀织f a 及X R D 谱{ b F i g ．2M e t a l l o g r a p h 【a a n dX R Dp a t t e r n b o fA l 一3 ％T i 一0 ．3 7 ％c 豳3A I 一3 ％T i o ．5 ％C 中间合金蘑熔保温后的微观组织 a 保温3 0 m i n ； b 保温6 0 r a i n F i g ．3M e t a l l o g r a p ho f 矗l 一3 ％瓢一O 。S ％Ca f t e rr e m e l t i n g a h o l d i n go f3 0 m i n ；{ b Ih o l d i n go f6 0 m i n * ～- T i C “’| 矗矗 ★k ★ 空i 圭烹i 主▲4 山 I 。 擞髂保湛3 1 } m i 。澎l 。l 。 ； 辫强溢“ m 1 ． ． 3 ， 【．】。 2 0曩}璀’取}壤}7 0挂l硪} 2 p 妒’ 图4A I 一3 ％T i O ．5 ％C 中间台金重熔 前矮X R D 塑漤 F i g ．4 X R Dp a t t e r no fA 卜。3 ％T i O ．5 ％C b e f o r ea n da f t e rr e m e l t i n g 蓬5 受褒傣显微镜下观察粥蕊A l 一3 ％T i 一 0 ．3 7 ％C 中间合金在霆熔保温6 0r a i n 后的微观组 织照片。霹以看出A l 一3 ％T i O 。3 7 ％C 巾耀会金 在重熔保温6 0r a i n 麓，长条状T i A l ；孵显长大，尺 寸由原来的1 ～1 0I m 长大劐2 ～2 0 “m ，块状 T i A I ，也明最长大且发生聚集，咫寸由原来黪s ～8 p m ，长大翔l o ～2 5 抖m 。与此溺时，在孛溺食金基 体上出现了大量的T i C 颗粒团。与重熔前A l 一3 ％ 髓一0 。3 7 ％C 中闻合金的X R D 衍射圆谱相比，重熔 保温后孛麓合金仍盘A 1 、T i A I 。程T i C 经藏，没有 其它的杂相，如A 1 。c a 等，只是T i A l ，相和T i C 相的 相对量有所变化，重熔后T i A l 。樱的相对爨肖增多 趋势，焉T i C 豹耪对鬃髓显减少。 2 ．3A I - T i - C 中间合忿对工业纯锅的细化效果 图6 照用不同组织形貌的A l - T i - C 中圊食金重 熔蔫秀缨饱缝铬渡襻瓣乎鸷螽藏尺季与燕A } 蘩一C 万方数据 有色鑫属 冶炼部分 2 0 0 8 年6 期 4 5 黼摹A | 一3 ％曩一o 。剪％e 巾瓣会金重港 傈温6 0r a i n 鑫麓徽躐鼷缀 譬撼SM c t a l i o g r a p ho f 越一3 ％弱一o - 3 7 ％Ca f t e r h o l d i n go f6 0 r a i no fr e m e l t i n g 中间含金后熔体保温时间的关系曲线。由图6 可 见来萤熔前两种中间合金对纯锅均有较好的晶粒 细化效果，但块状分布的A l 一3 蹦T i O ．5 ％C 中间 含金凝缨化效果要优于针片状分布的A 1 - - 3 蟛T i 一 0 。3 7 ％C 孛弱舍金。重嬉后的秘魏巾麓会金黯纯镪 爨爨凑一定翡螽粒缨纯效果，哭不寇续偬效栗纛抗 缀诧裘遗性能滋重熔翦要差。 豳6中间合金重熔前后的晶糍细化曲线 F i g ．6 G r a i nr e f i n e m e n tc u r v e sf o rm a s t e r a l l o yb e f o r ea n da f t e rr e m e l t i n g 3 分析和讨论 3 。1 黧港傈湛对竭对A I - T i - C 巾鬻鸯金缀织戆遗 传彩璃 试验结果表明T i A l 3 、T i C 的形态和分布与重 熔保激时间有着极其密切的关系。随着重熔保温时 间的延长，T i A I ，会发生聚集、饮火，而T i C 颗粒发 生聚集．因为T i A l 。晶体呈正方晶系，所以块状 T i A I ，晶体是在T i 呈过饱和熔体状态下结晶形成 的。出乎H 呈过饱和状态，其T i A l 3 的形核驱动力 是淡农琢有鑫俸最密的原子西上彩棱，使T i A 毛各 晶面基本均衡长大，以三维方式生长掰成为块状嘲。 本实骏枣，A I _ 鞭一e 孛霹会金在保瀑戆避鬟孛，蓬着 傈瀑时阕戆延长，甓A 毛逐溪发生溶熊，造成在熔薅 菜一送域T i 鳘过饱和状态，从控予黪热力学稳定性 考虑，此时T i A l 。再次结晶，形成较犬尺寸的 T i A l ；．片状T i A l 。晶体里二维校晶状，标志着 1 0 0 、0 1 0 、1 1 0 等方向的生长速度相同，由于0 0 1 晶 面的原予密度最大，故0 0 1 方向生长速度最低[ | ] ． 在保漱过程申，片状T i A l 。也通过溶解和再结晶，形 成较大必寸豹T i A I 。。嚣T i C 壶予舆奄缀寓酶热力 学稳定慷黯】，在镪熔诲孛稳定存在，艇爨予T i C 粒 子每熔体铬之蘑存在密度差为2 。5 3g ／c m 3 ，在重力 作用下，T i C 粒子会发生下沉。又由予T i C 粒子与 铝熔体老间的湿润性差，T i C 粒子和液态铝界面上 存在很商的界面能，T i C 粒子受液态镐排挤而发生 聚集，T i C 粒子聚集成较大的粒子团。因此。在长时 间保温麟，在熔体中的一定区域里，T i A l 。和T i C 的 数量发擞变诧，也由此造成了重熔聪巾阕合金的 X R D 衍射峰筐与重港兹掇毙发生变纯。 3 ．2 枣漆念金诧含凌形态霹终锈缁纯效采戆缝绞 遗传效威 C i b u l a 提出了“碳化物粒子理论”认为T i C 具 有与“ A l 相同的面心立方晶体结构朔非常接近的 晶体常数，从结晶学角度出发，有利予舯A l 成核，可 作为髯质形核核心。A r n b e r g 和B a c k e r u d 等发现 在T i A l a 粒子与r A l 之间共有 1 0 0 T i A l 3 ／／ 1 0 0 A i 等1 1x 重锘瓮度不超过5 ％豹共格熬疆。D a v i e s 、 S c h n e i d e r 、M a x w e l 纛H e l l a w e l l 等褒扩A l 鑫蕴孛 心发现稚A l ；粒子。这澄暖T i A k 缎子鸯鼙能成秀 错的嚣均质形核核心。扶本实验绪祭来看，A l 一 3 ％T i 一0 ．5 ％C 中间合金具有比A l 一3 ％T i 一 0 ．3 7 ％C 中间合金更加优异的细化糕一A l 晶粒的能 力．A 1 3 ％T i 一0 ．3 7 ％C 中间食众中T i C 比较 少，T i A l 。璺块状和针状混杂且分布不均匀，而A l 一 3 ％弧一0 ．5 ％C 中闼合金中，T i A l 3 糨犬部分呈块 获显分帮垮匀，数量覆多，在铝魏形核翘楚，有大量 鹣雾凌赢嚣终为形菝棱奎。在程阏俸辍懿镑熔液 中，南予黠核数墨增多面使铝螽粒纲纯 熬熔詹的中间合金中，由于T i A b 粒子尺寸较 大，加入铝熔体中的一定时间里，T i A l ；能够稳定存 在，丽犬墩的T i C 粒子由于聚集成较火的粒子团， 造成程桐同体积的铝熔液中晶核数翻减少，因此细 化效果较差。随着保温时间的延长，燕多的T i C 粒 子发生了沉淀，T i A b 靛子瞧不断溶勰麓减少，嚣芘 Ej≈_嚣女wg￡ 万方数据 4 6 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年6 期 细化效果变的越来越差。有关A 1 一T i C 中合金细化 的机制和不同形状的T i A I a 晶体在其中所起的作用 还有待作进一步的研究。 4结论 1 采用铝熔体热爆法可合成出相同成分 由 A 1 、T i A I 。和T i C 组成 不同微观组织形貌的A 卜T i - C 中间合金晶粒细化剂。当中间合金中T i A I 。呈块 状且均匀分布，T i C 均匀分布且较多时，细化效果最 好； 2 随着重熔保温时间的延长，T i A I 。会发生聚 集、长大，而T i C 颗粒有聚集倾向，但保温过程中， T i A l 3 和T i C 相表现出较强的稳定性，并没有生成 其他杂相如A 1 。C ，等。重熔后的A 1 一T i - C 中间合金 仍具有一定的晶粒细化能力。 参考文献 [ 1 ] 高泽生．A 卜T i 七晶粒细化用中间合金的最新进展[ J ] ． 轻合金加工技术。1 9 9 8 ，2 6 1 0 ；5 一1 1 ． [ z ] L IJ i a n - g u o ，H U A N GM i n ．M AM o ，e ta 1 ．P e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no fA I T i Ca n dA 1 T i Bn m s t e ra l l o y si n g r a i nr e f i n e m e n to fc o m m e r c i a la n dh i g hp u r i t ya l u m i m u m [ J ] 。T r a n s a c t i o n so fN o n f e r m u sM e t a l sS o c i e t yo f C h i n a ，2 0 0 6 ，1 6 2 4 2 2 5 3 ． [ 3 ] V a nP ，W i g g e nS ，B e l g r a v e rJ ．F r o mA 1 一T i - Bt o 址T i - Cd e v e l o p m e n t si na l u m i n u mg r a i nr e f i n e r s [ J ] ．A l u m l i l u m ，1 9 9 9 。7 5 1 1 9 8 9 9 9 4 ． [ 4 ] 柳延辉，刘相法。李廷斌．等．A b T F C 中间合金对M g - A I 合金的晶粒细化作用口] ．中国有色金属学报，2 0 0 3 ，1 3 3 6 2 3 - - 6 2 5 ． [ 5 ] 刘贤斌．A F T F C 细化荆制备工艺优化及其结构宏观动 力学的初步研究[ D ] ．’兰州兰州理工大学，2 0 0 7 ． [ 叼许春香，张金山．A 1 T i C 中间含金组织遗传性的研究 [ J ] 。材料科学与工艺，2 0 0 1 ，9 2 1 6 6 - 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