Mg-Ce对Al-Ti-B合金微观组织及细化行为的影响

2020-07-13尹冬松张政存

黑龙江科技大学学报 2020年3期

宋良，尹冬松，张政存，肖强

(黑龙江科技大学材料科学与工程学院，哈尔滨150022)

0 引言

现今，7075铝合金在飞机外壳、建材、汽车发动机等方面应用广泛，且产量逐年增长。为提高铝合金的力学性能，通常加入细化剂来提高其强韧性[1-2]。Al-Ti-B因其制备工艺简单、性能稳定、成本较低等良好的特点而成为铝生产行业使用最广泛的细化剂。然而，在实际生产中发现，Al-Ti-B合金中TiB2粒子的聚集沉淀或Al-Ti-B中TiAl3粒子过于粗大，严重影响其对7075铝合金的细化效果。有研究表明，在Al-Ti-B中间合金基础上加入了稀土元素Ce可以起到变质和精炼的作用，同时还可以降低铝熔体表面张力，从而改善铝液对硼化物的润湿性，在一定程度上减少了TiB2的沉淀，可减缓Al-Ti-B-RE细化剂的衰退时间[3]。笔者采用不同质量分数Mg-Ce合金的Al-Ti-B中间合金细化剂，在其基础上复合机械搅拌的作用，进一步改善TiAl3的尺寸，从而探寻提高Al-Ti-B细化剂对7075铝合金细化性能的方法。

1 实验方法与设备

制备Al-Ti-B-X(Mg-Ce)原材料分别为工业纯铝锭、钛粉、铝箔纸、稀土镁合金(Mg-30Ce)、锌粒和氟硼酸钾。将预热250 ℃的工业铝块放入井式坩埚电阻炉加热至铝锭完全熔化后，用扒渣勺进行扒渣处理，之后放入氯化钾覆盖剂；升温到720 ℃时，将用铝箔纸包裹好的钛粉以及氟硼酸钾按顺序添加到坩埚中；除气扒渣，添加除气剂除气，之后使用机械搅拌机搅拌20 s，最后扒渣，将Al-Ti-B-(Mg-Ce)熔体浇注入金属模具中。考虑材料的综合力学性能，分别制备了四组7075铝合金试样，4组铝合金试样除细化剂种类不同，其余熔炼条件及原材料配比完全相同。4组铝合金试样添加细化剂的质量分数分别为1%的Al-Ti-B、1%的Al-Ti-B-1(Mg-Ce)、1% Al-Ti-B-2(Mg-Ce)和1%的Al-Ti-B-3(Mg-Ce)，分别标记为试样A、B、C、和D。用坩埚电阻炉熔炼配置好的原料，采用金属型浇注铝合金试样。将金属型在600～700 ℃下预热，去除金属型表面附着的水分。将坩埚电阻炉温度调至750 ℃加热升温，等待温度上升至750 ℃加入铝块进行熔炼，熔炼1 h待铝块完全熔炼成铝水后，加入锌粒和镁块，熔炼时间为5 min。之后加入铜块，熔炼时间为5 min。分别加入不同步质量分数的细化剂，熔炼时间为5 min。加入炉料总质量0.5%的六氯乙烷精炼剂，使用石墨棒进行人工搅拌，搅拌后进行扒渣，扒渣后夹出坩埚进行浇注。使用蔡司显微镜分析显微组织，利用扫描电镜和能谱仪进行微观组织和微区分析并进行XRD物相分析，分析其细化行为。

2 结果与分析

2.1 金相显微组织

2.1.1 Mg-Ce合金对Al-Ti-B细化剂微观组织的影响

图1为不同Mg-Ce添加量Al-Ti-B细化剂的显微组织。

图1 不同Mg-Ce添加量Al-Ti-B细化剂的显微组织Fig. 1 Microstructure of different Mg-Ce addition of Al-Ti-B refiner

由图1a可以明显看出,Al-Ti-B细化剂颗粒尺寸较大，且分布不均匀，出现偏聚现象。添加1% Mg-Ce合金的Al-Ti-B合金的微观组织如图1b所示，第二相粒子数量多且弥散分布;当Mg-Ce添加量为2%时，合金基体上的第二相尺寸明显增加，局部区域呈团聚趋势，如图1c所示;当Mg-Ce添加量为3%时，合金基体上的第二相粒子尺寸进一步增大，数量也有所减少，如图1d所示。Al-Ti-B合金基体上的第二相形貌受Mg-Ce合金的添加量的影响也较为显著，当Mg-Ce合金增加到1%时，第二相以细小均匀分布的粒状为主。当Mg-Ce合金添加量从1%增加到2%和3%时，第二相呈块状和椭圆状,这是因为Mg-Ce主要起到作用的是稀土Ce，Ce原子会均匀分散在铝合金熔液中，阻碍了第二相粒子的偏聚。由于稀土的化学性质很活泼，与熔点较低的第二相粒子反应生成稀土相，使得第二相粒子由熔点低的第二相向熔点高的第二相转化，使得第二相质点变的更加稳定[4]。当添加量增加到2%以上时，合金中的第二相尺寸增大，原因是Mg-Ce合金易与铝钛形成铝钛稀土复合相，使得异质晶核TiAl3的数量减少，尺寸变大，破坏了中间合金细化剂的质量，造成细化剂的细化性能下降[5-6]。

该实验条件下，添加Mg-Ce合金能改变Al-Ti-B中间合金第二相粒子的尺寸和分布，当Mg-Ce合金添加量为1%时，第二相颗粒尺寸最小且分布均匀。

2.1.2 机械搅拌对Al-Ti-B细化剂显微组织的影响

采用机械搅拌作用对添加1% Mg-Ce的Al-Ti-B细化剂熔体进行进一步处理，其显微组织如图2所示。

图2 机械搅拌1% Mg-Ce的Al-Ti-B组织Fig. 2 Microstructure of 1% Mg-Ce addition of Al-Ti-B refiner

由图1b和图2可见，相对于未搅拌的中间合金，经过搅拌的Al-Ti-B细化剂第二相粒子更均匀弥散分布于铝基体上。这主要和机械搅拌的复合作用有关，凝固析出相的形貌是短条状和粒状，并且相对于未机械搅拌的晶粒尺寸有所变小。机械搅拌对Al-Ti-B合金不仅起到细化TiAl3的作用，还能抑制TiB2粒子的长大，减弱粒子聚集成团的趋势，因而可以从根本上提高TiAl3和TiB2粒子的分散性[7]。

2.2 细化行为分析

2.2.1 细化剂相组成

为研究细化剂中不同相的成分，对质量分数为1% Mg-Ce的Al-Ti-B细化剂进行组织成分分析，合金析出相(十字星位置)和基体的SEM图像如图3所示。

图3 1%Mg-Ce的Al-Ti-B微观组织SEM能谱成分点Fig. 3 Microstructure and SEM point analysis of 1% Mg-Ce for Al-Ti-B refiner

由图3可见，白色块状的第二相呈颗粒弥散分布，其主要由元素Al、Ti、Ce构成，该第二相为TiAl3。稀土Ce不以游离态的方式存在于Al基体中，而是以固溶形式存在于TiAl3中，这是因为Mg-Ce合金中Ce进一步改变了铝熔液中第二相粒子与α-Al基体的润湿角以及α-Al熔体的表面张力所导致。

为进一步确定Mg-Ce合金添加到Al-Ti-B细化剂中对第二相粒子产生的影响，对质量分数为1% Mg-Ce的Al-Ti-B细化剂进行XRD衍射分析，图4为添加质量分数1% Mg-Ce的Al-Ti-B细化剂的XRD图谱。由图4可知，1% Mg-Ce细化剂的衍射图在XRD衍射图谱中主要为TiAl3相与α-Al相，没有发现稀土Ce的衍射峰，所以稀土Ce不以游离态的形式存在于中间合金中，而且没有发现Ti2Al20Ce相，可能稀土Ce以其他的Ce化合物的形式存在，由于Ce含量极低，因此未在XRD衍射峰中标出。由此，可以判断TiAl3是Al-Ti-B细化剂起到异质形核的作用的关键，熔炼过程中消除其他粒子聚集沉淀的能力，从而延长了细化剂的细化时间，起到了提高细化剂细化性能的作用[8-10]。

图4 添加1% Mg-Ce的Al-Ti-B细化剂的XRD图谱Fig. 4 XRD analysis of 1% Mg-Ce addition of Al-Ti-B refiner

2.2.2 细化机理

为研究细化剂对7075铝合金的细化效果，制备了3个7075铝合金铸坯试样，其添加细化剂分别为0、1% Al-Ti-B-1(Mg-Ce)和机械搅拌1% Al-Ti-B-1(Mg-Ce)，3个7075铝合金铸坯试样金相照片如图5所示。

由图5a可以看出，7075铸坯原始晶粒尺寸为200～300 μm。由图5b可以看出，质量分数为1%的Al-Ti-B-1(Mg-Ce)细化剂的添加明显使7075铸坯的晶粒明显细化，晶粒尺寸为100～150 μm。这是因为Al-Ti-B-1(Mg-Ce)细化剂使晶粒形核时抑制其长大，形核数增加，从而使得晶粒更加的细小，细化了7075铸坯的组织。由图5c可以看出，向7075铸坯中添加机械搅拌处理质量分数为1%的Al-Ti-B-1(Mg-Ce)细化剂后，铸坯晶粒尺寸为50～80 μm，说明复合机械搅拌作用的细化剂比未进行复合搅拌作用的细化剂细化效果更强。这是由于机械搅拌使细化剂的第二相组织均匀分布，所以导致将其添加到铝合金后获得更多的异质形核质点，从而进一步增强了其细化能力。