Al-3Ti-0．2C-5Sr 铝合金细化剂制备工艺及凝固过程

赵红亮，赵开新，孙启宴

(1．郑州大学 材料科学与工程学院，河南 郑州450001;2．河南机电高等专科学校 汽车工程系，河南 新乡453002)

0 引言

铝硅系合金以其优异的铸造性能被广泛应用于航空航天、汽车制造等领域［1-2］，但未经细化和变质的铝硅合金组织中α-Al 晶粒粗大，共晶硅呈针片状，对其性能影响严重［3-4］． 目前，提高铝硅合金性能最直接有效的方式是向熔体中添加晶粒细化剂和共晶硅变质剂［5］． 郑州大学自主开发的Al-Ti-C-Sr 细化剂具有细化和变质双重效果，可有效提高铝硅合金的性能［6-8］． 高雅等［9］通过正交实验优化出了Al-Ti-C-Sr 细化剂的最优成分为Al-3Ti-0．2C-5Sr，但其制备出的细化剂中各相形貌不能有效控制．

笔者研究Al-3Ti-0．2C-5Sr 细化剂制备过程中浇铸温度、冷却速度和保温时间对显微组织的影响，并对其凝固过程进行分析，为有效控制细化剂中各相的形貌、尺寸提供理论依据．

1 实验材料与方法

制备Al-3Ti-0．2C-5Sr 细化剂的实验原料为:工业纯铝、工业氟钛酸钾、石墨粉、工业纯锶．工业纯铝的各元素百分含量如表1 所示(质量分数，下同)，工业氟钛酸钾的纯度大于99%，石墨粉的平均粒度约为74 μm，工业纯锶的纯度大于99．9%．

表1 工业纯铝的化学成分的质量分数Tab．1 Composition of commercial－purity aluminum of mass fraction %

将工业纯铝放入坩埚电阻炉中，720 ℃保温至纯铝完全熔化，升温至950 ℃，加入预热好的氟钛酸钾和石墨粉并保温60 min，期间每隔15 min搅拌一次，降温到850 ℃加入纯锶，保温一段时间后浇铸，浇铸温度分别为850，800，750 ℃．冷却方式分为3 种:第1 种将熔体液淬到冰盐水中，冷却速度约为500 ℃/s;第2 种将熔体浇铸到直径8 mm 的铸铁模具中，冷却速度约为100 ℃/s;第3种将熔体浇铸到直径60 mm 的铸铁模具中，冷却速度约为20 ℃/s． 以纯锶加入后为起始时间，分别保温15，30，45 min，将制备出的Al-3Ti-0．2C-5Sr 进行DSC 分析及液淬实验． DSC 实验参数如下:温度为950 ～600 ℃;降温速度为20 ℃/min;液淬温度分别为780，750，720 ℃． 试样经人工研磨、抛光后用0．5%HF 腐蚀10 s，在OLYMPUS 金相显微镜上观察合金组织．

2 结果与讨论

2．1 制备工艺对Al-3Ti-0． 2C-5Sr 显微组织的影响

本课题组前期研究表明［9］:Al-3Ti-0．2C-5Sr的显微组织中包含TiAl3相、Al-Ti-Sr 相、TiC 颗粒及少量Al4Sr 相，TiAl3相全部被包覆在Al-Ti-Sr相内部，Al-Ti-Sr 相呈包覆状或块状．图1 为不同浇铸温度下Al-3Ti-0．2C-5Sr 的显微组织． 由图1可知，当浇铸温度为850 ℃时(图1(a)所示)，TiAl3呈细的长条状，尺寸约为20 μm ×100 μm，Al-Ti-Sr 相全部包覆在TiAl3相周围，无块状Al-Ti-Sr 相;当浇铸温度为800 ℃时(图1(b)所示)，TiAl3相为较大的板条状，尺寸约为30 μm ×70 μm，绝大多数Al-Ti-Sr 相包覆在TiAl3相外围，存在少部分块状Al-Ti-Sr 相;当浇铸温度降低到750℃时(图1(c)所示)，TiAl3相全部转变为大块状，尺寸约为45 μm ×45 μm，Al-Ti-Sr 相以包覆状和块状共同存在，且块状Al-Ti-Sr 相小于包覆状Al-Ti-Sr 相． 由此可见，随浇铸温度降低，TiAl3相先由大的长条状转变为较短的板条状，最后转变为块状，Al-Ti-Sr 相由全部为包覆状转变为包覆状和块状共同存在．

2．1．1 冷却速度的影响

图2 为不同冷却方式下的Al-3Ti-0． 2C-5Sr显微组织形貌．由图2 可知，当冷却速度约为500℃/s 时(图2(a)所示)，Al-3Ti-0．2C-5Sr 显微组织中中TiAl3相呈长条状或针片状，长度约为50 μm，且TiAl3相周围基本没有包覆状Al-Ti-Sr 相存在，仅存在少量块状Al-Ti-Sr 相;当冷却速度降低到100 ℃/s(图2(b)所示)，TiAl3相呈板条状且周围出现少量包覆状Al-Ti-Sr 相;当冷却速度进一步降低到20 ℃/s 时(图2(c)所示)，包覆状Al-Ti-Sr 相不断增厚． 可见，当冷却速度降低时，Al-Ti-Sr 相由块状转变为块状和包覆状共同存在，且包覆层不断增厚．这是由于，冷却速度越大时，熔体的过冷度越大，Al-Ti-Sr 相直接从熔体中析出呈块状;冷却速度降低后，过冷度减小，块状Al-Ti-Sr 相也随之减少，且TiAl3相有充分时间与熔体反应生成包覆状Al-Ti-Sr 相，因此包覆状Al-Ti-Sr 相不断增厚．

图1 不同浇铸温度下Al-3Ti-0．2C-5Sr 显微组织Fig．1 Microstructure of Al-3Ti-0．2C-5Sr refiner in different casting temperatures

图2 不同冷却方式下的Al-3Ti-0．2C-5Sr 显微组织Fig．2 Microstructure of Al-3Ti-0．2C-5Sr refiner in different cooling rate

2．1．2 熔体保温时间的影响

图3 为不同保温时间下Al-3Ti-0．2C-5Sr 的显微组织．由图3 可知，当保温时间为15 min 时(图3(a))，Al-Ti-Sr 相绝大多数包覆在TiAl3相周围，尺寸约为20 μm×100 μm，块状Al-Ti-Sr 相较少;当保温时间延长到15 min 时(图3(b))，包覆状Al-Ti-Sr 相增厚，部分TiAl3相消失;当保温时间进一步增加到45 min 后(图3(c))，TiAl3相完全消失，Al-Ti-Sr 相均呈大的块状，尺寸约为70 μm×70 μm，这是由于保温时间的延长增加了各相反应时间和长大时间． 前期研究表明，包覆状Al-Ti-Sr 相是由TiAl3相发生包晶反应形成的［9］，因此，保温时间越长，包晶反应进行越完全，导致TiAl3相逐渐消失，小块状Al-Ti-Sr 相长成大块状．

图3 不同保温时间下的Al-3Ti-0．2C-5Sr 的显微组织Fig．3 Microstructure of Al-3Ti-0．2C-5Sr under different holding time

2．2 Al-3Ti-0．2C-5Sr 的凝固过程

图4 为铸态Al-3Ti-0．2C-5Sr 细化剂的差示扫描量热(DSC)分析曲线．图5 为不同温度点的Al-3Ti-0．2C-5Sr 细化剂的液淬组织．由图4 可知，在900 ～600 ℃凝固范围内，Al-3Ti-0．2C-5Sr 细化剂的DSC 曲线出现3 个明显的放热峰:A，B，C，而A1，B1，C1分别对应着各相析出的开始温度，D 点为凝固结束温度．结合Al-Ti、Al-Sr 二元相图及相关文献［10 -12］分析可知，A 点对应着TiAl3相吸热峰，开始析出温度约为800 ℃;B 点对应着Al4Sr 相吸热峰，开始析出温度约为740 ℃;C 点对应着α-Al 吸热峰;D 点为凝固结束温度，约为640 ℃．

图4 Al-3Ti-0．2C-5Sr 细化变质剂的DSC 凝固曲线Fig．4 DSC curve of the solidification for Al-3Ti-0．2C-5Sr

由图5 可知，780 ℃下的液淬组织中存在细长条状TiAl3相和块状Al-Ti-Sr 相，且部分块状Al-Ti-Sr 相内部存在小部分TiAl3相(如图5(d))，说明小块状Al-Ti-Sr 相也是由TiAl3相与Sr 元素发生包晶反应形成．750 ℃和720 ℃的液淬组织均存在块状和包覆状Al-Ti-Sr 相，且尺寸相差不大，在720 ℃液淬组织中出现针状Al4Sr相．因此，Al-3Ti-0．2C-5Sr 细化变质剂的液固区间为800 ～640 ℃，各相析出顺序为:TiAl3相、Al-Ti-Sr 相、Al4Sr 相、α-Al 相．

图5 Al-3Ti-0．2C-5Sr 细化变质剂的液淬组织Fig．5 Liquid quenching microstructure of Al-3Ti-0．2C-5Sr

分析DSC 曲线及液淬组织可知，当熔体温度约为800 ℃时，TiAl3相直接从熔体中析出，TiAl3相在析出过程中迅速与液相发生包晶反应，形成小块状Al-Ti-Sr 相． 但是，由于熔体中Sr 元素分布不均匀，部分TiAl3相周围Sr 元素浓度较低，包晶反应不能完全进行，形成包覆状Al-Ti-Sr;并且，随着凝固过程的进行，原子不断扩散，使得包覆状Al-Ti-Sr 相不断长大，随着液淬温度的进一步降低，熔体中开始析出Al4Sr 相．

3 结论

(1)随着浇铸温度的降低，Al-3Ti-0． 2C-5Sr合金中TiAl3相先由大的长条状转变为较短的板条状，最后转变为块状，Al-Ti-Sr 相由全部为包覆状转变为包覆状和块状共同存在．

(2)随着冷却速度的降低，TiAl3相尺寸减小，包覆状Al-Ti-Sr 相增厚．

(3)随着保温时间的延长，TiAl3相逐渐消失，小块状和包覆状Al-Ti-Sr 相转变为大块状Al-Ti-Sr 相．

(4)Al-3Ti-0．2C-5Sr 细化变质剂的液固区间为800 ～640 ℃，各相析出顺序为:TiAl3相、Al-Ti-Sr 相、Al4Sr 相和α-Al 相．块状Al-Ti-Sr 相和包覆状Al-Ti-Sr 相均由TiAl3相通过包晶反应形成．

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