Al-5.22Ti-1.65B的金相组织对ZL101A铸造铝合金的影响

(昆明冶金研究院有限公司, 云南 昆明 650031)

在工业生产中,添加晶粒细化剂是最简单和最有效的方法，也是铝合金熔体处理技术的重要组成部分,它具有作用速度快、操作方便和适应性强等特点。它可以防止粗大柱状晶的形成和消除羽毛晶，从而提高铝合金的综合性能[1-2]。研究发现,向铝合金熔体中加入铝钛硼中间合金,可以使凝固组织得到改善。目前,国内主要研究铝钛硼合金的细化效果和对铝合金力学性能的影响[3-4], 而有关铝钛硼中间合金组织均匀性的研究并不多见,因此,本文对铝基体中的TiAl3相和TiB2颗粒进行分析,并在此基础上,探讨Al-5.22Ti-1.65B中间合金的金相组织对ZL101A铸造铝合金的作用, 为正确使用铝钛硼和保证铝合金产品质量提供理论依据。

1 实验材料和方法

1.1 Al-5.22Ti-1.65B中间合金对ZL101A铸造铝合金的处理过程

Al-5.22Ti-1.65B中间合金对ZL101A铸造铝合金的处理过程如下：用坩埚电阻炉将ZL101A铸造铝合金在770 ℃的温度条件下熔化,保温15 min后,除渣,加入1%的Al-5.22Ti-1.65B中间合金,搅拌1 min,保温5 min, 搅拌1 min,静置8 min,随炉冷却到590 ℃,浇铸在200 ℃的模具中取出,水淬。

1.2 金相样品的制备

(1) 选用Al-5.22Ti-1.65B中间合金进行金相分析,其铝钛硼中间合金的化学成分为: Ti：5.22%, B: 1.65%, Fe:0.095%,Si:0.082%,V:0.011%.余量为Al。其金相样品的制备方法如下:先用180号、400号、800号、1000号、1200号、1500号和2000号水砂纸由小到大磨制试样,在磨制时,沿一个方向进行磨制,不能改变磨制方向,每更换砂纸时,要垂直于前道划痕90°进行磨制,直到上一道划痕消除,要随时在水砂纸上添加水,保证砂纸湿润, 更换砂纸时,要清洗试样和研磨盘,以便将残留的砂粒清除。

(2)采用丝绒布和粒度为0.5w的Al2O3抛光液进行抛光,方向垂直于磨制方向,在抛光时,用力要适当,并不断添加Al2O3抛光液,以保证抛光效果。如果存在轻微抛光痕迹,则垂直于前道抛光方向进行二次抛光,抛光时,用力要轻,先用Al2O3抛光液抛光,再用清水抛光,直到抛光痕迹消除。最后,更换丝绒布,清洗抛光盘,垂直于前道抛光方向用清水进行抛光,目的是使试样抛光面光亮如镜。抛光后,用无水乙醇清洗抛光面,吹风机吹干。

(3)将试样放入0.5%HF水溶液中浸蚀8～25 s后,用自来水冲洗10 min,再用无水乙醇清洗, 吹风机吹干,去除表面水珠,制成金相试样。

(4)ZL101A铸造铝合金金相样品的制备与Al-5.22Ti-1.65B中间合金相同。

1.3 金相观察和分析

在Axio imager A2m 型研究级智能数字材料显微镜下观察金相组织，通过图像分析软件拍摄金相照片,对显微组织进行分析。用帕纳科锐影Empyrean型X射线衍射仪(XRD)确定铝钛硼中间合金的物相。

2 试验结果与分析

2.1 Al-5.22Ti-1.65B中间合金的物相分析

图1是Al-5.22Ti-1.65B中间合金的X射线衍射图,从图1中可以看出,铝钛硼中间合金除了有基体α-Al相的衍射峰外,还有TiAl3相和TiB2颗粒的衍射峰,其中,α-Al相的衍射峰较强, TiAl3相的衍射峰次之,TiB2颗粒的衍射峰最弱,说明铝钛硼中间合金含有α-Al、TiAl3和TiB2三种物相。

图1 Al-5.22Ti-1.65B中间合金的X射线衍射分析结果

2.2 Al-5.22Ti-1.65B中间合金的金相组织分析

通过对Al-5.22Ti-1.65B中间合金圆杆金相样品的制备,使金相组织中的TiAl3相和TiB2颗粒在显微镜下清晰显现,能够清楚地分析铝钛硼中间合金的显微组织。图2为Al-5.22Ti-1.65B中间合金圆杆横断面的金相组织,从图2可以看出,α-Al基体上有较大的白色块状物为TiAl3相,其周围分布着黑色TiB2颗粒,TiAl3相分布均匀,偏聚很少。

对图3的显微组织进行观察,可以测量TiAl3相的大小,平均尺寸<45 μm；TiB2颗粒是球形,直径<8 μm,弥散分布,无聚集现象。

图2 Al-5.22Ti-1.65B中间合金的金相组织(100倍)

图3 Al-5.22Ti-1.65B中间合金的TiAl3相和TiB2颗粒的大小(200倍)

在铝钛硼中间合金起细作用的基础相是TiAl3相,其形态直接影响到合金的细化效果,如图4所示,以短轴和长轴之比作为TiAl3相的形态分析,得到TiAl3相的短轴和长轴之比为0.82,接近于1,说明TiAl3相的形态为块状,而块状的TiAl3相有利于晶粒细化。

图4 分散的TiAl3相和TiB2颗粒(500倍)

TiAl3相和TiB2颗粒是铝钛硼中间合金的主要细化相,其细化机制是TiAl3相和TiB2颗粒共同作用的结果,这两种相的形态、大小和分布决定了最终的细化效果,其显微组织是: TiAl3相是块状,分布均匀而不聚集、TiAl3相的平均尺寸<45 μm。TiB2颗粒为球状,弥散分布,直径小于8 μm,不允许有聚集的TiB2团块出现。TiAl3相和TiB2颗粒高度均匀弥散分布,将成为晶粒长大的抑制剂,阻碍了铝合金熔体的晶粒长大,铝钛硼中间合金的细化效果,不仅是细化晶粒,而且使晶粒分布均匀,各向异性减小,这样,铝合金具有较高的力学性能。TiAl3相和TiB2颗粒的分布均匀性是决定铝钛硼中间合金品质的重要参数之一,分布均匀性越好, 铝钛硼中间合金的品质越高。

在铝钛硼中间合金的制备过程中,首先形成TiB2颗粒,在TiB2颗粒下沉的过程中生成TiAl3相[5], TiB2颗粒在凝固过程分布于TiAl3相之间,所以, 铝钛硼中间合金的金相组织是TiAl3相呈较大块状分布于α-Al基体上, TiB2呈细小的颗粒处于TiAl3相之间,弥散分布。根据上述分析结果,得到Al-5.22Ti-1.65B中间合金的金相组织特征见表1。

表1 Al-5.22Ti-1.65B中间合金的金相组织特征

2.3 Al-5.22Ti-1.65B中间合金的组织均匀性

从图4可以看出, 在Al-5.22Ti-1.65B中间合金圆杆的金相组织中,TiAl3相和TiB2颗粒分散分布,均匀性较好。而在图5中,出现了TiAl3相和TiB2颗粒聚集现象,组织不均匀，局部过量的TiAl3相虽然加强细化作用,但失去了形核核心的作用,无法满足高品质铝钛硼中间合金的要求，另外,其他区域的TiAl3的相对数量变少,铝合金结晶核心质点的数量随之减少,细化作用减弱。另外,出现TiB2颗粒聚集主要是因为TiB2颗粒在向铝合金熔体的扩散过程中, TiB2颗粒试图以界面能最小的状态存在所引起的,TiB2颗粒越细小,表面能就越高,TiB2颗粒越容易聚集,相互之间的作用力就越大[6],最终出现了TiB2颗粒的聚集现象,这是铝钛硼中间合金失效的重要原因。因此, TiB2颗粒必须弥散均匀分布,不允许有TiB2颗粒聚集现象的存在。

图5 TiAl3相和TiB2颗粒的聚集状态(500倍)

2.4 Al-5.22Ti-1.65B中间合金的组织均匀性对ZL101A铝合金显微组织的影响

TiAl3相在一定程度上的偏聚不利于异质形核,只有当TiAl3相分布均匀时,才有利于形核。当添加TiAl3相分布不均匀的Al-5.22Ti-1.65B中间合金圆杆时,由于铝合金凝固时部分区域缺少有效的异质形核基底, 导致铝合金部分区域的树枝状的α-Al相较多,大小不一,晶粒尺寸相差很大,如图6所示。而且分布不均匀的TiAl3相进入铝合金熔体之后,使溶解后的钛浓度分布不均匀,显微组织的处理也不均匀,引起各个区域的组织差异较大。当组织均匀的铝钛硼中间合金加入到铝合金熔体中,由于TiAl3相和TiB2颗粒分布均匀,使各个区域的形核数量分布均匀,减少了树枝晶的生长,从而使α-Al相朝着等轴晶的方向发展,见图7。

图6 组织不均匀的Al-5.22Ti-1.65B中间合金处理的α-Al相形貌(100倍)

图7 组织均匀的Al-5.22Ti-1.65B中间合金处理的α-Al相形貌 (100倍)

图8为将组织不均匀的Al-5.22Ti-1.65B中间合金加入到ZL101A铝合金中的金相照片,可以看到铝合金的金相组织中出现了共晶硅聚集现象和块状共晶硅,这种共晶硅对铝基体有较强的割裂作用,降低了合金的力学性能。而经过组织均匀的Al-5.22Ti-1.65B中间合金处理后,共晶硅的分散性较好,块状共晶硅已经消除,见图9。这是因为合金在凝固时,先析出α-Al相,后凝固共晶硅相,由于α-Al相晶粒的树枝晶减少,其组织更加均匀,这种组织的均匀性阻止了共晶硅的聚集和块状共晶硅的析出,有利于铝合金显微组织的改善。经过以上分析,得到铝钛硼中间合金对ZL101A铝合金显微组织的影响见表2。

图8 组织不均匀的Al-5.22Ti-1.65B中间合金处理的共晶硅分布(1 000倍)

图9 组织均匀的Al-5.22Ti-1.65B中间合金处理的共晶硅分布(1 000倍)

表2 Al-5.22Ti-1.65B对ZL101A铝合金显微组织的影响

3 试验结论

(1)经X射线衍射分析,铝钛硼中间合金主要由α-Al相、TiAl3相和TiB2颗粒组成。

(2)在铝钛硼中间合金的金相组织中, TiAl3相呈较大块状分布于α-Al基体上, 平均尺寸<45 μm,分布均匀而不聚集。TiB2颗粒的形状为球状, 处于TiAl3相之间,弥散分布,直径小于8 μm。

(3)随着组织均匀的铝钛硼中间合金的加入, 减少了树枝状α-Al相的形成,共晶体硅的分散性更好,ZL101A铸造铝合金组织变得更均匀。

(4)当铝钛硼中间合金的组织不均匀时, 铝钛硼中间合金对ZL101A铸造铝合金的作用存在区域性，不能对显微组织进行有效而均匀的处理。