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新型Al-Ti-B-Re中间合金对工业纯铝细化工艺设计及细化机
理研究
张乐;陈正;杨亚楠;唐跃跃
【期刊名称】《材料导报》
【年(卷),期】2013(027)018
【摘要】采用颗粒纯钛法制备了新型的Al-Ti-B-Re中间合金细化剂,考察了细化剂添加量、保温时间、浇注温度对工业纯铝细化效果的影响.实验发现当细化剂添加量为0.5％(质量分数),浇注温度在760℃,保温时间为30 min时细化效果最佳,最佳效果为铝的晶粒细化到50～60 μm,硬度提升了6.48％,抗拉强度提升了8.79％.最后分析了Al-Ti-B-Re中间合金细化机理.
【总页数】4页(P100-103)
【作者】张乐;陈正;杨亚楠;唐跃跃
【作者单位】中国矿业大学材料科学与工程学院,徐州221116;中国矿业大学材料科学与工程学院,徐州221116;中国矿业大学材料科学与工程学院,徐州221116;中国矿业大学材料科学与工程学院,徐州221116
【正文语种】中文
【中图分类】TG146
【相关文献】
1.新型中间合金铝晶粒细化剂Al-Ti-B-RE的研制 [J], 兰晔峰;郭朋;朱正锋;刘胜杰;王军年
2.新型Al-Ti-B-RE中间合金细化工业纯铝的研究 [J], 王正军;路淼;潘卫军;刘莲香;徐艳
3.中间合金铝晶粒细化剂Al-Ti-B-RE的研究 [J], 任峻;陶钦贵;马颖
4.稀土在Al-Ti-B-RE细化剂中的作用及细化机理研究 [J], 任峻;马颖
5.新型A1TiC中间合金对工业纯铝的细化研究 [J], 陈优;王正军;王一贺
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关于 6061铝合金圆铸棒晶粒细化问题探讨摘要:本文分别从6061铝合金铸棒的化学成分份，炉料组成，熔炼过程的温度控制，熔体在炉内的保温时间，人工播晶种，以及铸造过程工艺参数等方面阐述了对铸棒晶粒的影响，提出了晶粒细化的一些方法。
关键词：6061铝合金铝棒晶粒细化晶粒度在铝合金熔铸生产中，晶粒度一直是大家关注的热门话题。
尤其是变形铝合金中的圆铸棒晶粒度，它不仅关系到铸棒在铸造环节能否顺利进行，更关系到后续进一步压力加工，以及最终产品的力学性能，以至于使用性能。
影响6061铝合金圆铸棒晶粒有多方面因素，主要有1.化学成分因素合金元素对铝合金基体金属纯铝来说是外来质点。
他们的熔点、金晶结构与纯铝有一定差别，特别是形成金属化合物以后，对合金结晶有一定影响。
6061铝合金主要合金元素有Si、Mg、Cu，还有对合金工艺性能有一定影响的Fe、Mn、Cr、Ti等元素。
这些元素约占合金含量的2.5%（Wt）左右。
其形成的金属化合物有的熔点与基体金属有差别，有的结晶结构与基体金属有一定的相似性。
在合金结晶时，会产生先后期结晶，先期结晶对后序结晶形核有产生促进作用。
另外占合金总量的2.5%（Wt）的合金元素在合金铸造时，会产生成分过冷，对细化合金组织也有一定促进作用。
2.炉料组成因素铝合金铸棒生产企业，根据原料，特别是基体金属纯铝来源，以及废旧金属形状，多少都有各自的配料方案。
本文研究的配料方案是重熔原铝锭，以及本企业加工生产的厚度≥15mm边角废料和铸造后切除棒头、棒尾的工艺废料，作为回炉料配入炉料中。
在6061合金中炉料中还要加入相应合金元素的中间合金如Al-Fe、Al-Cu、Al-Cr等。
在炉料中，加或不加回炉料对合金晶粒度有一定影响。
产生上述晶粒度差异原因，据分析：相同重量的回炉料与相同重量的原铝锭比较，其表面积相差悬殊，前者是后者的数倍，甚至上百倍，也就是说前者的氧化物数量比后者大很多。
铝的氧化物在结晶体结构上与原铝相似，而其熔点近2050℃，这种高熔点质点能起到异质晶核作用，促进晶粒细化。
Al/Al-Ti-B晶粒细化机理摘要：Al-Ti-B是很多Al合金运用最广泛的细化剂。
然而，经过60年的深入研究，晶粒细化的确切机制尚不清楚。
本工作的目的是使我们进一步了解涉及Al-Ti-B系晶粒细化剂的晶粒细化机制。
广泛的高分辨率电子显微镜的调查证实了在(0 0 0 1)TiB2表面存在富Ti膜，这是最有可能是二维(1 1 2)Al3Ti复合。
进一步的实验进行了调查了解TiB2颗粒的效力和二维Al3Ti的稳定性。
我们的研究结果表明，TiB2颗粒的效力的显著增加是通过在其表面形成单层二维Al3Ti。
二维Al3Ti 在集中Al-Ti溶液的液态Al/TiB2界面形成，尽管溶于稀Al-Ti溶液，但是两者的形成和二维Al3Ti溶解的相对缓慢。
Al-5Ti-1B晶粒细化剂显著细化晶粒直接归因于在添加晶粒细化剂之后强化了TiB2颗粒的效力和二维Al3Ti和溶解有足够的游离Ti实现柱状晶向等轴晶转变。
关键词：晶粒细化；形核；铝；TiB2；界面层1前言铝合金晶粒细化是可取的因为它有利于铸造工艺，减少铸造缺陷，因此可以提高铸件质量[1]。
实现晶粒细化铸态组织，通过晶粒细化剂的添加化学接种已经成为一种常见的工业应用[2]。
最广泛使用的铝合金晶粒细化剂的Al-Ti-B中间合金（所有成分重量%，除非另有规定），其中包含了在铝基金属间化合物Al3Ti 和TiB2粒子。
Al-Ti-B中间合金含有2.8%的过剩Ti大于TiB2的化学计量比(即2.2:1，%)。
Al-Ti-B中间合金对大多数形核过冷度小于1K铝合金的晶粒细化非常有效[2]。
从介绍Al-Ti-B系晶粒细化剂已经超过60年[3]，已作出了巨大的努力去理解晶粒细化的机制，这已成为一些综述文章的主题（例如，[2,4,5]）。
然而，直到现在，涉及Al-Ti-B晶粒细化剂的确切细化机制尚未达成共识[5]。
在上世纪50年代，Cibula首先提出硬质合金碳-硼化物粒子理论[3]。
铸造铝合金晶粒细化技术与发展摘要：Al-T-B作为铝合金的异质晶粒细化剂已长达40年了。
已经证明，AlI-Ti-B的使用是铝合金获得有益冶金和力学性能实际有效的方法。
但是，由于二硼化物粒子聚集牵涉到的许多质量问题至今不能解决，所以铝业界长期以来希望找到一种代替品。
介绍了AI-T-C晶粒细化剂的最新进展和国产Al-Ti-C的研制开发。
晶粒细化试验结果证明，国产Al-Ti-C的细化效果比进口Al-Ti-B的好。
在工业纯铝铸轧板的初步试用中获得了较好的结果，在A3S6合金中已获得了工业应用。
关键词：铝合金；Al-Ti-B晶粒细化剂；AI-Ti-C晶粒细化剂铸锭是变形加工产品多段加工的第一步。
铸锭质量影响加工产品最终的性能。
晶粒细化能大改善铸锭的均匀性，提高力学性能和铸造速度，防止铸锭裂纹和产生羽毛状晶。
工业实践中使用最广的晶粒细化剂Al-Ti-B，至今它虽然仍是铝工业中优先选用的细化剂，但是硼化物粒子聚集带来的一些难以克服的缺点也困扰了铝工业几十年。
为此，铝工业长期以来希望找到一种AlI-Ti-B的代替品，Al-T-C便是其中的选择之一。
一、铝晶粒细化剂的发展实践证明，钛能在铝中产生很好的晶粒细化作用，但是在亚包晶成分下钛细化作用很弱。
进一步得知加入硼时钛的细化作用大大提高，使用Al-Ti-1B加入0.005%Ti 便能起到很好的晶粒细化作用。
Al-5Ti-1B由于存在大的TiBz聚集物、KAIF、氧化物和其他非金属夹杂是不令人满意的。
为此，作为折衷开发了含低硼的Al-5Ti-0.2B，其优点是：没有大的TiB：聚集物；二硼化物粒子尺寸小(~1μm)；非金属夹杂少；较好的晶粒细化性能。
在此期间也开发了低T/B比的Al-3Ti-1B合金，并于1985年首次应用。
由于铝加工产品质量的不断提高，铝工业要求不含TiB的中间合金，20世纪80年代，英AB(Anglo-Blackwells )公司开发了Al-6%Ti-0.02%C合金。
Ti、Zr复合作用对纯铝抗晶粒细化衰退性能的影响摘要：本文用99.99%的工业纯铝、铝钛中间合金（Al10Ti）和铝锆中间合金（Al10Zr）作为材料，通过铸锭冶金法制备Ti、Zr含量不同的纯铝试样，通过组织观察以及纯铝的拉伸性能测试，探究在Ti、Zr单独作用和复合作用下对纯铝抗晶粒细化衰退性能的影响。
结果表明，随着Ti，Zr含量的增加，铝合金显微组织逐渐被细化，强度和硬度也有所提高。
在重熔后随重熔次数增加，铝合金组织发生了粗化，强度和硬度也有所降低。
经对比实验证明，当复合添加0.5%Ti、0.3%Zr时经过多次重熔后仍可以发挥较好的细化作用，获得非常均匀的晶粒。
关键词：重熔；微观组织；纯铝；抗晶粒细化引言铝及铝合金具有密度小、比强度高、导电导热性能好、耐腐蚀性强等优点，在现代工业中运用十分广泛。
虽然铝及大多数铝合金都具有如上优点，但是铝合金铸件的强度较低，综合力学性能不能很好地满足现代工业的需要，如何有效地强化铝及铝合金的性能就成为合金技术研究的一个重要方向。
1.研究目的铝及铝合金的性能优劣取决于其晶粒尺寸和形态特征，在铸造过程中通过细化晶粒组织从而提高铝及铝合金性能，是充分的发挥其性能的最有效的途径之一。
而实际工业生产往往有所限制，考虑到控制冷却速度，工艺要求，以及生产条件等因素，添加晶粒细化剂是最简捷有效的方法。
Ti或Zr都是常用的纯铝晶粒细化剂。
添加微量Ti元素时，Ti在铝中的细化机制与其含量有关，主要机理是阻碍晶粒长大。
虽然Ti对铝有一定的细化效果，但工艺复杂，且利用和回收率低，同时Al3Ti的细化效果不稳定，所以效果并不理想。
添加微量Zr元素时，纯铝凝固发生包晶反应，析出Al3Zr粒子，Al3Zr可以充当a-Al的异质形核核心，有效地促进了晶粒细化。
但Al3Zr粒子的细化效果比起Al3Ti粒子更不稳定，细化衰退也很严重。
由上可知，Ti、Zr对纯铝有一定的细化作用，但二者单独作用对纯铝的抗晶粒细化衰退性能都没有太大改善。
收稿日期:2007-07-17 基金项目:973计划课题(编号2005C B623703),上海市重大基础研究项目课题(编号06dj14005)。
第一作者简介:高耸(1983-),男,江苏启东人,硕士研究生。
Al 2T i 2B 晶粒细化剂的研究进展高 耸1,疏 达1,王 镭2,韩延峰1,王 俊1,孙宝德1(1.上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海200030;2.河南顺源铝业有限公司,河南郑州451283)摘要:综述了Al 2T i 2B 中间合金的制备方法及组织特征。
分析了氟盐反应制备法的缺点,改进制备工艺和优化合金成分是改善Al 2T i 2B 中间合金组织形态并提高其细化性能的重要途径。
探索超声场等外场作用下Al 2T i 2B 中间合金的制备工艺,以及开发新型Al 2T i 2B 2RE 晶粒细化剂是Al 2T i 2B 中间合金的主要发展方向。
关键词:Al 2T i 2B 晶粒细化;中间合金;制备方法中图分类号:TG 146.21;TG 292 文献标识码:A 文章编号:1007-7235(2007)12-0007-04R esearch progress of Al 2Ti 2B grain refinerG AO S ong 1,SHU Da 1,WANGLei 2,HAN Y an 2feng 1,WANGJun 1,S UN Bao 2de1(1.State K ey Laboratory of Metal Matrix Composites ,Sh angh ai Jiaotong U niversity ,Sh angh ai 200030,China ;2.H enan Shunyu an Aluminum Co.,Ltd.,Zhengzhou 451283,China)Abstract :The manu facture and microstructure of Al 2T i 2B master alloys are reviewed.The shortcomings of the reaction of halide salts with m olten aluminum to produce Al 2T i 2B master alloy are pointed out ,and the improvements in the manu facture process and alloy chemistry are believed to be the m ost effective way to improve both the microstructure and refining performance of Al 2T i 2B mas 2ter alloy.The manu facture of the master alloy under the ultras ound field and development of Al 2T i 2B 2RE grain refiner will be am ong the future trends.K ey w ords :Al 2T i 2B grain refinement ;master alloy ;manu facture 晶粒细化对变形铝合金的半连续铸造以及铸造铝合金的成型铸造都很有意义,它可以改善铸锭的力学性能、减少偏析、降低热裂倾向,改善铸件凝固过程中的补缩、消除或更好地分散疏松、提高铸件的气密性和表面质量等[1]。
铝合金的晶粒细化与力学性能关系分析与优化铝合金作为一种常用的结构材料，在工业和航空航天领域得到了广泛的应用。
其优良的力学性能和轻质高强的特点使得铝合金成为替代传统材料的理想选择。
而铝合金的晶粒细化是提高其力学性能的重要途径之一。
本文将分析铝合金的晶粒细化与力学性能的关系，并探讨如何优化铝合金的力学性能。
1. 铝合金的晶粒细化对力学性能的影响铝合金晶粒细化是指通过某些方法将其晶粒尺寸减小到亚微米或纳米级别。
晶粒细化不仅可以提高铝合金的强度和硬度，还能改善其塑性、疲劳寿命和韧性等力学性能。
晶粒细化可以增加晶界的数量和长度，并使晶界更加规则和均匀。
晶界是晶体中不同晶粒之间的界面，其存在对于控制位错的移动和塑性变形具有重要作用。
晶粒细化后，更多的晶界可以阻碍位错的传播，从而提高材料的强度和硬度。
此外，晶界也能吸收和阻碍裂纹扩展，因此晶粒细化能够提高铝合金的韧性和疲劳寿命。
2. 晶粒细化方法及其影响目前，常用的铝合金晶粒细化方法包括等温退火、冷变形、机械合金化等。
这些方法可以通过不同的机制促进晶粒细化。
等温退火是指将铝合金加热到一定温度，在保持一段时间后缓慢冷却。
这种方法可以通过晶界迁移、三维位错联动和晶粒再结晶等机制实现晶粒细化。
等温退火条件的选择对晶粒细化效果有重要影响，如退火温度、保持时间、冷却速率等因素都会对晶粒尺寸和分布产生影响。
冷变形是指在室温下对铝合金进行拉伸、压缩或扭转等塑性变形。
通过冷变形，可以引入大量位错并形成高密度的位错梯度，从而促进晶界迁移和晶粒的细化。
不同的冷变形方式对晶粒细化的效果有差异，如拉伸变形可使晶粒细化，而压缩变形则会导致晶粒尺寸的增大。
机械合金化是指通过高能球磨、挤压等方法实现晶粒细化。
这些方法可以通过机械碎化、位错堆积和冷焊合等机制来减小晶粒尺寸。
机械合金化对晶粒细化的影响与处理参数（如球磨时间、机械能量等）密切相关。
3. 优化铝合金的力学性能为了进一步优化铝合金的力学性能，除了晶粒细化外，还可以通过合金化、热处理和纳米化等方式进行改进。
铝合金的晶粒细化与力学性能关系分析铝合金是一种常见的金属材料，具有轻质、高强度和良好的可塑性等特点，在广泛的应用领域中发挥着重要作用。
晶粒细化是改善铝合金力学性能的重要途径之一，本文将分析铝合金的晶粒细化与力学性能之间的关系。
一、晶粒细化的定义与影响因素晶粒细化是指金属材料中晶粒尺寸的减小，常用的指标是晶粒尺寸的平均值或分布范围。
晶粒细化对铝合金的力学性能有着重要的影响，主要体现在以下几个方面：1. 提高材料的强度和硬度：晶粒细化可以增加晶界的数量和长度，有效阻碍位错的运动，从而提高材料的强度和硬度。
2. 提高材料的塑性和韧性：适当的晶粒细化可以增加材料的位错密度，提高材料的塑性和韧性，降低脆性。
3. 提高材料的疲劳寿命：晶粒细化可以减小应力集中程度，增加材料的疲劳寿命。
二、晶粒细化方法与机制实现铝合金的晶粒细化可以采用多种方法，其中常用的方法包括：1. 热变形与热处理：通过热机械处理，如等温压下变形处理、等温回火处理等，可以实现晶粒细化。
变形过程中的晶界滑移和再结晶过程是晶粒细化的主要机制。
2. 添加细化剂：向铝合金中添加细化剂，如颗粒、纤维等，可以增加晶核数量，促使晶粒细化。
3. 机械制备：采用机械球磨、挤压等方法可以实现铝合金的晶粒细化，机械变形和碎裂是晶粒细化的主要机制。
三、晶粒细化与力学性能关系的实验研究大量的实验研究表明，晶粒细化可以显著改善铝合金的力学性能。
以下为几个常见的实验结果：1. 强度和硬度提高：晶粒细化后，铝合金的屈服强度、抗拉强度和硬度均有所提高。
2. 塑性和韧性改善：适当的晶粒细化可以增加铝合金的塑性应变和断裂韧性，降低脆性破坏特性。
3. 疲劳寿命延长：晶粒细化可以提高铝合金的疲劳寿命，延缓疲劳裂纹的扩展速度。
四、晶粒细化与力学性能关系的理论解释对于晶粒细化与力学性能关系的理论解释，主要有以下几种观点：1. 晶界滑移阻碍理论：晶粒细化可以增加晶界的数量和长度，有效限制晶界滑移，从而提高强度和硬度。
Al-Ti-C-Ce对铝合金晶粒细化剂机理研究摘要：铝合金作为当今社会中常见的金属材料之一被广泛的应用在交通、建筑、航空航天、航海、电力、医疗、装饰等各个领域。
将晶粒细化剂参入铝合金熔炼，使得铝熔体在凝固过程中获得足够的异质晶核，从而细化金属晶粒的尺寸来提升铝材性能已经成为如今工业生产中最为普遍且经济实用的方法。
关键词：晶粒细化剂；晶粒细化；形核；晶粒本文通过在Al-Ti-C制备过程中引入稀土元素Ce来改善碳源与铝液的润湿性，从而提高TiC粒子的形成率。
而TiC粒子作为铝熔体中的形核核心，增加了形核数量，Ce元素不仅可以促进TiC粒子的生成，也可以提升细化剂的抗衰性Al-Ti-C-Ce中间合金之所以细化能力高于Al-Ti-C中间合金，不单单因为Ce原子的加入提升了TiC粒子的含量，而且在细化过程中，Ce原子会富集在铝合金晶界处抑制铝合金晶粒继续长大。
1.引言铝及铝合金作为当今社会不可替代的金属材料之一在当今社会被广泛的应用于交通、建筑、航空航天、航海、电力、医疗、装饰、食品包装等各个领域。
改善铝材品质的方法工艺有很多，对于绝大部分金属，其晶粒尺寸被细化，直接提升了晶界的总面积，则其金属材料强度、硬度、塑性、韧性会伴随细化的强弱而有所提升。
将金属晶粒细化剂在金属熔炼过程中添加到熔体中，使得金属在凝固过程中获得足够的异质晶核，从而细化金属晶粒的尺寸来提升金属性能已经成为当今铝材加工生产中最为普遍且最为经济实用的方法。
目前在工业铝合金熔炼中使用率最高的晶粒细化剂是Al-Ti-B、Al-Ti-C，然而将Al-Ti-B添加到铝液之后TiB2粒子容易被团聚，而且易被Cr、Zr、Mn等元素毒化从而使得细化剂失去作用。
而Al-Ti-C细化剂在制备过程中存在碳源与铝液润湿性极差，进入铝液的碳源很难与铝液中的Ti原子结合产生足够的TiC粒子。
因此Al-Ti-C细化剂在工业生产中也遭到极大的限制。
本文通过在Al-Ti-C制备过程中引入稀土元素铈来改善碳源与铝液的润湿性，从而提高TiC粒子的形成率。
