杆状Al-5Ti-1B中间合金的组织形貌及对铝合金晶粒细化效果研究

2019-05-15路丽英孙博晗

铝加工 2019年2期

路丽英，孙博晗，韩颖，陈雷

（1.东北轻合金有限责任公司，哈尔滨150060；2.中南大学材料科学与工程学院，长沙410083；3.航天海鹰（哈尔滨）钛业有限公司，哈尔滨150028）

0 前言

铝钛硼丝是铝加工企业广泛使用的铝及铝合金的高效晶粒细化剂，可显著改善铝及铝合金的加工性能，提高铝材的质量，全世界约有75%的铝加工材和铸造铝产品在铸造过程中需要添加铝钛硼合金晶粒细化剂［1-3］。目前，从英国LSM公司、美国KBM公司等，进口的Al-Ti-B晶粒细化剂的特点是细化效果好，Ti和B的利用率高，可减少细化剂用量；细化剂均匀分布，细化效果稳定连续，可实现细化处理的自动化，可降低TiB2粒子的聚集沉淀倾向等，已广泛为工业化生产企业所采用。国内生产的Al-Ti-B中间合金（丝）细化剂，同进口产品相比，具有价格优势，但由于生产条件和技术水平的限制，产品质量参差不齐，主要体现在B含量低，纯净度差等，从而影响晶粒细化剂对铝合金细化效果的稳定性[4]。因此，本文结合现有的生产条件，采用模拟细化试验的方法，研究了不同生产厂提供的杆状铝钛硼晶粒细化剂的微观组织及其对铝合金细化效果的影响，对铝合金晶粒细化剂质量进行初步的比较与评价，为工业生产条件下优选晶粒细化剂提供实验依据。

1 实验方法

试验选取了4个不同生产厂家生产的Al-5Ti-1B杆状晶粒细化剂，分别标记为1#～4#。

对以上选用的4种铝钛硼中间合金分别取样，试样经磨制、抛光、腐蚀后在蔡司显微镜下进行组织观察。晶粒细化效果实验采用石墨坩埚在井式熔化炉中进行合金熔炼，浇铸模具规格为φ70mm×65mm×25mm的环状钢模。将纯铝在720～730℃加热熔化，精炼、扒渣后，分别加入1#～4#等量的Al-5Ti-1B中间合金，充分搅拌后，静置10 min，分别浇铸到置于二氧化硅泡沫砖上的钢模中。沿浇铸的小圆铝锭底部铣掉5mm，经磨制、抛光并用混合酸溶液（70mLHCl+25 mLHNO3+5 mLHF）腐蚀后观察试样低倍组织和高倍晶粒组织。扫描组织观察及能谱分析在蔡司扫描电镜上进行，对杆状铝钛硼中间合金进行了扫描组织观察和相成分分析。

2 结果与分析

2.1 Al-5Ti-1B中间合金的化学成分

试验用不同厂家的Al-5Ti-1B中间合金的化学成分检测结果见表1。

表1 试验用Al-5Ti-1B合金的化学成分（质量分数/%）

化学成分分析结果表明，4种中间合金的主要成分Ti、B含量均存在不同程度的差异。4#中间合金的B元素含量最低，3#中间合金的B元素最高，而Ti元素含量4#最低，低于5%，3#中间合金的Ti含量最高达到5.5%。4种中间合金中杂质元素Fe、Si含量也存在明显差异，2#中间合金杂质元素含量最高，1#中间合金杂质含量最低。对照YS/T 447.1-2011中Al-5Ti-1B成分等级的划分标准（见表2），仅1#中间合金其各元素成分满足等级A级Al-5Ti-1B中间合金的成分要求。

表2 Al-5Ti-1B成分等级的划分标准（质量分数/%）

2.2 Al-5Ti-1B中间合金的显微组织

对上述四个不同厂家生产的铝钛硼中间合金进行了金相组织观察。观察结果表明，1#～4#铝钛硼中间合金的组织形貌类似，均为较大尺寸相与细小尺寸相相间存在，只是大尺寸相与小尺寸的比例及均匀性存在差异。

为进一步确定所观察到的相的种类，选取成分符合A等级要求的1#中间合金进行了扫描电镜组织观察和能谱分析，其结果见图1和表3。

图1 1#中间合金的扫描组织

表3 图1（b）中对应位置的能谱分析结果

从图1中可以观察到组织中存在大量尺寸不一形状不一的相，选取典型位置进行能谱分析。其结果显示，其主要为TiAl3相，未观察到含B相的存在。对图1（a）显示的区域进行了成分的面扫描分析，其结果如图2所示。

图2 图1（a）中显示位置的成分面扫描结果

从图2可以看到，大块片状相为TiAl3相，小颗粒状也为TiAl3相，而B元素呈均匀弥散状态分布在基体中。

2.3 Al-5Ti-1B中间合金细化效果实验

图3（a）为纯铝的铸态组织，晶粒尺寸在1000μm以上，枝晶网明显。图3（b）～（e）为加入不同厂家生产的Al-5Ti-1B的铸态组织，可以看到纯铝组织中加入细化剂后，晶粒细化效果明显。

比较而言，纯铝中加入1#Al-5Ti-1B后，晶粒大小比较均匀，晶粒尺寸明显小于2#、3#、4#Al-5Ti-1B细化的晶粒。而且，在纯铝中加入2#～4#Al-5Ti-1B后其组织中以尺寸偏大的晶粒居多，有少量极小的晶粒，晶粒尺寸均匀性较差（见图3（c）～图3（e））。

图3 不同Al-5Ti-1B细化剂对纯铝铸态组织的细化效果对比

研究表明[5]，Al-Ti-B丝的细化效果与其粒子的种类、数量、形态、大小以及分布有关。铝及铝合金晶粒细化机制十分复杂，人们提出了各种理论，主要包括：相图理论、包晶反应理论、碳化物和硼化物理论、亚稳相理论、α-Al晶体增殖理论等等。虽然各种理论说法不一，但都认为Ti可细化铝晶粒，而B的存在能显著增强铝钛合金的细化晶粒效果，并可延长衰减时间；同时，还肯定了TiAl3和TiB2的作用，认为它们都是α-Al潜在的结晶核心。细化剂中TiAl3以块状形貌、细小均匀分布的细化效果最好；TiB2颗粒分布以疏松型聚集状态的细化效果最佳，而密集型聚集状态的TiB2颗粒在细化过程中很难发挥形核作用。TiAl3的形态、尺寸以及TiB2的分散度对晶粒细化效果有显著影响[6-8]，微观组织中第二相TiB2质点呈现较高的分散度是细化效果较好的重要因素。

上述晶粒细化效果实验表明，1#Al-5Ti-1B的细化效果最好，晶粒细小且尺寸均匀，这是因为其微观组织中Ti Al3以块状、均匀形态分布，而含B元素的粒子均匀弥散分布，能够发挥其各自的形核作用，因而表现出良好的晶粒细化效果。