Al-5Ti-0.2C细化剂对5356铝合金显微组织和力学性能的影响

2018-01-19，，

机械工程材料 2018年1期

，，

(广西大学资源环境与材料学院，南宁 530004)

0 引言

5356铝合金是以镁为主要合金元素的变形铝合金，具有密度小、焊接性能和耐腐蚀性能优异、与大多数铝合金兼容性好等优点，作为焊丝广泛应用于大型机车厢体、化工容器、交通运输行业中铝合金材料的焊接[1-3]。我国生产的5356铝合金焊丝在拉拔过程中容易出现拉断现象，这主要是由于铝合金焊丝中氧化杂质含量高、晶粒细化效果差、枝晶偏析严重，导致其塑性和韧性下降[4-6]。目前，我国所用的高端铝合金焊丝绝大部分依赖进口，生产技术被发达国家垄断，因此为了掌握自主技术，我国研究者不断进行新型焊丝的研发[7-9]。有研究发现，在5356铝合金熔炼过程中添加一些细化剂，能够改善枝晶偏析、细化晶粒，并提高铝合金的强度、塑性和韧性[10]。目前，工业上广泛应用的晶粒细化剂主要包括Al-Ti-B、Al-Ti-B-Re、Al-Ti-C和Al-Ti-C-B。由于Al-Ti-B细化剂中的钛元素会与铝合金中的锆、铬、锰等元素发生反应，导致其细化作用减弱甚至失效，而A1-Ti-C细化剂中的异质形核核心TiC比Al-Ti-B的TiB2具有更小的聚集倾向，不会与锆、铬、锰等元素发生反应，在相同含量及相同处理条件下，Al-Ti-C比A1-Ti-B的细化效果更好。因此，作者将Al-5Ti-0.2C细化剂加入到5356铝合金熔体中，研究了该细化剂质量分数和细化保温时间对5356铝合金显微组织和力学性能的影响。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验原材料包括高纯铝锭(纯度99.99%)、AlMg20中间合金、AlMn20中间合金、AlCr2中间合金、AlTi10中间合金、精炼剂C2Cl6、覆盖剂(组成为KCl，MgCl2，CaCl2，CaF2)、耐火涂料(主要组成为ZnO，Na2SiO3)和Al-5Ti-0.2C细化剂，均为市售。

按照表1中5356铝合金的化学成分进行配料，在SG2-12-13坩埚井式电阻炉中熔炼，温度为700～750 ℃。经除气、扒渣后加入质量分数分别为0.1%，0.2%，0.3%，0.5%的Al-5Ti-0.2C细化剂，分别保温5，10，15，20，25 min，然后浇入到φ18 mm×130 mm的模具中。待铝合金铸锭冷却后，采用电火花切割机加工成φ18 mm×10 mm的试样。

表1 5356铝合金的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical composition of 5356 aluminumalloy (mass) %

1.2 试验方法

采用Phenom ProX型扫描电镜(SEM)及X-Max型能谱仪(EDS)对Al-5Ti-0.2C细化剂的微观形貌和化学成分进行观察和分析。

采用Keller试剂(HF、HCl、HNO3、H2O的体积比为1∶1.5∶2.5∶95)对试样进行腐蚀，腐蚀时间为30～60 s，在BH200MR型光学显微镜和Phenom ProX型扫描电镜上观察显微组织。

按照GB/T 6394-2002《金属平均晶粒度测定方法》，利用MIAPS-M软件计算出显微组织中晶粒的平均截距，评定试样的晶粒度。

按照GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》，在W-100型万能材料试验机上进行拉伸试验，拉伸速度为2 mm·min-1，拉伸试样的形状与尺寸如图1所示。

图1 拉伸试样的形状与尺寸Fig.1 Shape and size of tensile specimen

按照GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，在AMSLER RKP450型示波冲击试验机进行室温冲击试验，缺口冲击试样的形状与尺寸如图2所示。

图2 冲击试样的形状与尺寸Fig.2 Shape and size of impact specimen

2 试验结果与讨论

2.1 细化剂的SEM形貌

由图3可以看出：细化剂中主要包括大量均匀分布的不规则的白色块状相，同时还存在一些弥散分布的极为细小的白色颗粒相；白色块状相为铝和钛元素形成的相，铝钛原子比为3∶1，可以判断其为Al3Ti；细小的白色颗粒相为钛和碳元素形成的相，钛碳原子比为1∶1，可以判断其为TiC。弥散分布的TiC是影响晶粒细化的关键因素[11]。

2.2 对显微组织的影响

2.2.1 细化剂添加量的影响

由图4可知:当未添加细化剂时，5356铝合金组织中有大量的粗大树枝晶，当添加细化剂后，晶粒得到不同程度的细化；随着细化剂质量分数的增加，晶粒尺寸先减小后增大，当细化剂质量分数为0.3%时，晶粒尺寸最小。由图5可以看出：当细化剂质量分数由0增加到0.3%时，铝合金组织中晶粒的平均截距逐渐减小，由28.2 μm减小到12.8 μm；当细化剂质量分数为0.3%时，晶粒的平均截距最小，晶粒尺寸最小，细化剂的细化效果最佳；当细化剂质量分数大于0.3%时，晶粒的平均截距逐渐增大，晶粒尺寸增大，细化剂的细化效果减弱；当细化剂质量分数为0.5%时，晶粒的平均截距为21 μm，晶粒粗大，细化剂的细化效果明显降低，但晶粒尺寸仍小于未添加细化剂的。

图3 Al-5Ti-0.2C细化剂的SEM形貌及能谱分析结果Fig.3 SEM morphology and energy spectra analysis results of Al-5Ti-0.2C refiner: (a) SEM morphology at low magnification; (b) SEM morphology at high magnification; (c) energy spectrum analysis results of position 1 and (d) energy spectrum analysis results of position 2

图4 细化保温15 min后添加不同质量分数Al-5Ti-0.2C细化剂5356铝合金的显微组织Fig.4 Microstructures of 5356 aluminum alloy containing different mass fractions of Al-5Ti-0.2C refiner after refinement holding for 15 min

2.2.2 细化保温时间的影响

由图6～图7可以看出：随着细化保温时间的延长，铝合金组织中晶粒的平均截距先减小后增大，晶粒尺寸先减小后增大；当保温5～15 min时，随着保温时间的延长，晶粒尺寸变小，其平均截距迅速减小；当保温15 min时，晶粒的平均截距最小，为12.6 μm，晶粒最细小，细化剂的细化效果最明显；当细化保温时间超过15 min后，随着细化保温时间的延长，晶粒的平均截距增大，晶粒变得粗大，细化剂的细化效果变差。

图5 细化保温15 min后添加不同质量分数Al-5Ti-0.2C细化剂5356铝合金晶粒的平均截距Fig.5 Average intercept of the grains of 5356 aluminum alloy containing different mass fractions of Al-5Ti-0.2C refiner after refinement holding for 15 min

2.3 对力学性能的影响

2.3.1 细化剂添加量的影响

由表5可以看出：铝合金力学性能的变化趋势基本符合晶粒尺寸的变化趋势，与未添加细化剂的铝合金相比，添加细化剂铝合金的抗拉强度均得到了提高;当细化剂质量分数为0.3%时，铝合金的抗拉强度和伸长率均最大，分别为213.67 MPa和9.75%，比未添加细化剂铝合金的分别提高了50.6%和112%；当细化剂质量分数超过0.3%后，抗拉强度和伸长率均呈下降趋势；添加细化剂后，铝合金的冲击吸收功有所提高，最大值为25.0 J，这说明铝合金的韧性得到了提高。

图6 细化保温不同时间后添加质量分数0.3%Al-5Ti-0.2C细化剂5356铝合金的显微组织Fig.6 Microstructures of 5356 aluminum alloy containing 0.3wt% Al-5Ti-0.2C refiner after refinement holding for different times

表5细化保温15min后添加不同质量分数Al-5Ti-0.2C细化剂5356铝合金的力学性能

Tab.5Mechanicalpropertiesof5356aluminumalloycontainingdifferentmassfractionsofAl-5Ti-0.2Crefinerafterrefinementholdingfor15min

细化剂质量分数/%伸长率/%抗拉强度/MPa冲击吸收功/J04．60141．9116．00．14．32176．4810．00．26．18141．8519．80．39．75213．6725．00．56．44190．7918．0

图7 细化保温不同时间后添加质量分数0.3%Al-5Ti-0.2C细化剂5356铝合金晶粒的平均截距Fig.7 Average intercept of the grains of 5356 aluminum alloy with 0.3wt%Al-5Ti-0.2C refiner after refinement holding for different times

由图8可以看出：添加不同质量分数细化剂铝合金的拉伸断口形貌中均有亮白色的韧窝，且存在明显的撕裂棱，为典型的韧性断口，这说明铝合金的塑性较好；未添加细化剂铝合金中韧窝的大小不均匀，某些区域还出现了暗色的脆性断裂特征,如图8(a)中圆圈所示；当细化剂质量分数为0.2%时，韧窝的平均尺寸减小，断口中出现了一些较深的韧窝，并且多处韧窝中存在较多细小颗粒,如图8(b)中圆圈所示，这些颗粒的存在可能是导致铝合金塑性难以较大提高的原因；当细化剂质量分数为0.3%时，同样能观察到细小颗粒的存在,如图8(c)中圆圈所示，但其数量明显减少，并且韧窝更加细小；在不同铝合金试样中均存在气孔等熔铸缺陷，这是造成铝合金力学性能变差的原因。

当细化剂质量分数为0.3%时，铝合金的晶粒尺寸最小，此时其抗拉强度、伸长率、冲击吸收功均最大，这符合细晶强化理论，即：晶粒细小造成相同体积内晶界数量的增加，导致位错滑移所需的能量增大，因此抗拉强度提高；当施加外力后，细小晶粒内各部分的变形量均匀，减少了应力集中，因此断面收缩率和伸长率增大。

图8 细化保温15 min后添加不同质量分数Al-5Ti-0.2C细化剂5356铝合金的拉伸断口SEM形貌Fig.8 Tensile fracture SEM morphology of 5356 aluminum alloy containing different mass fractions of Al-5Ti-0.2C refiner after refinement holding for 15 min

图10 细化保温不同时间后添加质量分数0.3%Al-5Ti-0.2C细化剂5356铝合金的拉伸断口SEM形貌Fig.10 Tensile fracture SEM morphology of 5356 aluminum alloy with 0.3wt% Al-5Ti-0.2C refiner after refinement holding for different times

2.3.2 细化保温时间的影响

由表6可以看出：当细化保温时间为5 min时，铝合金的伸长率、抗拉强度和冲击吸收功均较小，这是由熔铸过程中出现的严重缺陷所致；当细化保温时间为15 min时，铝合金的抗拉强度和冲击吸收功最大，分别为213.67 MPa和25 J；当细化保温时间为20 min时，铝合金的伸长率最大，为12.58%。

由图10可以看出:当细化保温时间为5 min时，断口中韧窝数量较少，同时存在较多完整裸露的晶粒(如图中圆圈所示)，未产生断裂；当细化保温时间为15，20 min时，断口中韧窝数量较多且分布均匀，但保温20 min断口中的韧窝更深。

表6细化保温不同时间后添加质量分数0.3%Al-5Ti-0.2C细化剂5356铝合金的力学性能

Tab.6Mechanicalpropertiesof5356aluminumalloywith0.3wt%Al-5Ti-0.2Crefinerafterrefinementholdingfordifferenttimes

细化保温时间/min伸长率/%抗拉强度/MPa冲击吸收功/J52．00128．158．0104．67176．3514．0159．75213．6725．02012．58175．6718．8256．09176．4918．0

2.4 细化机理

通过Al-5Ti-0.2C细化剂显微组织的分析可知，细化剂中存在大量的Al3Ti和TiC、TiC表面曲率大，导致其形核能力差，但当许多TiC粒子聚集在一起形成TiC粒子团后，有利形核，能够直接成为熔炼铝合金熔体中的异质形核核心，又与铝具有相同的面心立方结构，从而使晶粒得到细化[12]。当Al-5Ti-0.2C细化剂质量分数大于0.3%时，5356铝合金出现细化效果减弱的现象，这是因为虽然铝合金熔体中TiC数量较多，但仍存在一些未被激活的粒子，需要生长抑制和成分过冷才会使其在某些位置形核[13]。当细化保温时间超过15 min后，5356铝合金出现细化效果减弱的现象，这是因为：在铝合金熔体中钛原子容易在TiC颗粒处偏聚，形成富钛微区，在该微区中钛原子和铝合金熔体发生包晶反应而形成较多的晶核，并成为形核点；当细化保温时间过长时，铝合金富钛微区中钛原子发生重熔，并均匀分散到铝熔体中[13]。另外，其他合金元素，如锰、铬等元素也会对晶粒细化产生一定的影响[14]。