Al-5Ti-0.25C合金制备工艺及其细化效果研究

杨何，胡茂良，刘桐，周雨晴，卢凯，杨兴飞，吉泽升

Al-5Ti-0.25C合金制备工艺及其细化效果研究

杨何，胡茂良，刘桐，周雨晴，卢凯，杨兴飞，吉泽升

（哈尔滨理工大学 材料科学与工程学院，哈尔滨 150080）

对机械加工过程中的Al屑和Ti屑进行回收再利用。以Al屑和Ti屑为制备Al-5Ti-0.25C合金的原材料，分析Al屑和Ti屑的加料温度、反应温度和反应时间对Al-5Ti-0.25C微观组织的影响，确定最佳制备工艺。在此基础上研究Al-5Ti-0.25C的添加量、细化温度、细化时间和搅拌处理对纯铝的细化效果，确定最佳细化工艺，并与商用杆状Al-5Ti-1B合金对比细化效果。最佳制备工艺：加料温度为860 ℃、反应温度为950 ℃和反应时间为60 min。最佳细化工艺：Al-5Ti-0.25C合金的质量分数为0.2%、细化温度为730 ℃和细化时间为2 min，搅拌处理。添加0.2%Al-5Ti-0.25C合金（质量分数）后，纯铝平均晶粒尺寸细化到大约200.2 μm。细化时间低于60 min时，Al-5Ti-0.25C合金无明显衰退现象。以机械加工产生的Al屑和Ti屑为原材料制备Al-5Ti-0.25C合金，可以有效解决Al屑和Ti屑的回收难题，而且Al-5Ti-0.25C合金的细化效果优于商用杆状Al-5Ti-1B合金。

Al-5Ti-0.25C；制备工艺；细化效果；Al屑；Ti屑

铝合金具有强度高、密度低和抗腐蚀性能良好等特点被广泛应用在航天航空、汽车和机械等领域[1]。晶粒细化不仅可以进一步提高铝合金的综合力学性能，还可以有效减少热裂、缩松和缩孔等铸造缺陷[2—4]。Al-Ti-C和Al-Ti-B合金是最常用的铝合金晶粒细化剂，但Al-Ti-B合金存在TiB2颗粒易沉聚、衰退严重和Si“中毒”等现象限制了其应用[5—6]。Al-Ti-C合金因具有TiC粒子尺寸小、“中毒”现象不明显和C源丰富的显著优势而被广泛关注，因此，人们致力于研究更具有发展潜力的Al-Ti-C合金[7]。

机械加工过程中产生大量的废Ti屑和Al屑。目前，我国对于废Ti屑和Al屑的回收成本高、收益小、污染大，废Ti屑和Al屑的回收再利用成为一个难题[8—10]。钛屑的回收方法主要有二次产品回收法和重熔法。重熔法包括电子束冷床炉法[11]和真空自耗电弧炉法[12]。电子束冷床炉法存在设备昂贵、提纯工艺不成熟的缺点；真空自耗电弧炉法的Ti屑利用率不高[13]。制备Al-Ti-C合金时，用废弃的Ti屑代替传统的氟盐不但可以实现对Ti的回收再利用，而且可以降低制备成本，提高经济效益。

文中以机械加工产生的Al屑和Ti屑为原材料制备Al-5Ti-0.25C合金，研究屑料的加料温度、反应温度和反应时间对Al-5Ti-0.25C合金微观组织的影响，确定Al-5Ti-0.25C合金的最佳制备工艺。从Al-5Ti- 0.25C合金的添加量、细化温度、细化时间以及是否搅拌处理4个方面优化Al-5Ti-0.25C合金的细化工艺，并与商用杆状Al-5Ti-1B合金对比细化效果。

1 试验

1.1 材料

材料选择商业纯铝锭（Al为99.78%，Si为0.1%，Fe为0.12%，质量分数）、钛合金（Ti为90.2%，Al为6.1%，V为3.7%，质量分数）、石墨粉（纯度为99.9%，粒度为30 μm）、商业杆状Al-5Ti-1B合金。铝锭和钛合金通过机械加工成屑（Al屑为扁平的长条状，厚度≤0.6 mm；Ti屑为片状，厚度≤0.6 mm）。试验前去除纯铝锭表面氧化层。

1.2 制备试验

Al屑、Ti屑和石墨粉均匀混合后用YT28-200/ 315T四柱式双动拉伸液压机在室温下压成40 mm× 20 mm的预制块。商业纯铝放入SiC坩埚中，置于RX2-37-13型箱式电阻炉中加热到760 ℃熔化。熔体升温到加料温度后，用钟罩将预制块加入铝熔体中，并升温到反应温度反应一段时间（反应时间），然后浇注到40 mm×40 mm的钢制模具中制成Al-5Ti-0.25C合金。加料温度为850 ℃和950 ℃，反应温度为950，1000，1100 ℃，反应时间为30，60，90 min。预制块和钢制模具均在井式电阻炉中预热到200 ℃，铝熔体加入KCl作为覆盖剂和固体C2Cl6进行除气精炼，铝熔体在浇注前均进行搅拌处理。

用X'Pert PRO MPD型X射线衍射仪（XRD）进行物相分析，工作电压为40 kV，工作电流为40 mA，扫描速度为4（°）/min，扫面角度为20°～90°，靶材为Cu-K靶。微观组织观察样品在距离浇注试样底部10 mm处取样。样品经打磨、抛光、腐蚀后在BX41M Olympus金相显微镜（OM）进行微观组织观察，腐蚀剂为Keller试剂，腐蚀时间为15～20 s。用配备有能谱仪（EDS）的FEI-Quanta 200型扫描电子显微镜（SEM）对合金样品进行微观组织分析。

1.3 细化试验

细化试验在纯铝中进行，纯铝在760 ℃下熔化，铝熔体温度到达细化温度后加入合金，并反应一段时间（细化时间），然后浇注到40 mm×40 mm的钢制模具中制得细化样品。添加合金的质量分数分别为0.1%，0.2%，0.3%，1%，细化温度分别为700，730，760，790 ℃，细化时间分别为2，5，10，30，60，90 min。在最佳细化工艺下对比Al-5Ti-0.25C与Al-5Ti-1B合金的细化效果。细化试验用的腐蚀剂为60% HCl+30% HNO3+5% HF+5% H2O（体积分数），采用截线法测量纯铝的平均晶粒尺寸。

2 结果与分析

2.1 微观组织分析

图1为Al-5Ti-0.25C合金的XRD和微观组织，加料温度为850 ℃，反应温度为1000 ℃，反应时间为60 min。图1a的XRD分析表明Al-5Ti-0.25C合金主要由-Al，TiAl3和TiC相组成，这也被KUMAR等[14]证实了。图2b—e表明Al-5Ti-0.25C合金微观组织中分布的块状白色相是TiAl3相，其尺寸主要分布在10～25 μm。

图2为Al-5Ti-0.25C合金在两种不同加料温度（860 ℃和950 ℃）下的微观组织，反应温度为1000 ℃，反应时间为60 min。如图2a所示，加料温度为860 ℃时，TiAl3尺寸较小且均匀分布在-Al中。加料温度为950 ℃时（见图2b），TiAl3相的尺寸比860 ℃时的大，并且TiAl3相发生团聚，这是由于高温下TiAl3相发生了长大，因此，最合适的加料温度为860 ℃。

图3为Al-5Ti-0.25C合金在不同反应温度下的微观组织，加料温度为850 ℃，反应时间为60 min。如图3a所示，反应温度为950 ℃时，Al-5Ti-0.25C合金微观组织中存在未溶解石墨，TiAl3相由于铝熔体温度较低，熔体流动性较差，难以分散发生团聚。反应温度为1000 ℃时（见图3b），TiAl3相均匀分布在-Al中。如图3c所示，TiAl3相在1100 ℃时有明显的生长择优取向，由块状生长为长条状[15]。长条状TiAl3相会降低合金的细化效果[16]，因此，1000 ℃是最合适的反应温度。

图1 Al-5Ti-0.25C合金的XRD和微观组织

图2 Al-5Ti-0.25C合金在不同加料温度下的微观组织

图3 Al-5Ti-0.25C合金在不同反应温度下的微观组织

图4为Al-5Ti-0.25C合金在不同反应时间下的微观组织，加料温度为850 ℃，反应温度为1000 ℃。反应时间为30 min时，TiAl3相因为在铝熔体中的分散时间不足而发生团聚；反应时间超过60 min时，Al-5Ti-0.25C合金微观组织中没有发现团聚的TiAl3相；反应时间为90 min时，TiAl3相由块状转变为长条状。团聚的TiAl3相和长条状的TiAl3相都会降低Al-5Ti-0.25C合金的细化效果，因此，最合适的反应时间是60 min。

2.3 细化效果

图5为纯铝的宏观组织形貌。如图5a所示，未添加Al-5Ti-0.25C合金前，工业纯铝的晶粒为粗大的等轴晶和柱状晶，平均晶粒尺寸约为3000 μm。如图5b所示，添加Al-5Ti-0.25C合金后，工业纯铝晶粒被细化为细小的等轴晶，纯铝平均晶粒尺寸被明显细化。红色区域表示添加Al-5Ti-0.25C合金后，搅拌处理对纯铝晶粒尺寸的影响。搅拌处理可以提高Al-5Ti-0.25C合金的细化效果，纯铝的平均晶粒尺寸由未搅拌的260 μm减小到搅拌后的196 μm。

图4 Al-5Ti-0.25C合金在不同反应时间下的微观组织

图5 纯铝的宏观组织形貌

Al-5Ti-0.25C合金的加入量、细化温度和细化时间与纯铝平均晶粒尺寸的关系见图6。图6表明添加0.2%Al-5Ti-0.25C合金（质量分数）后，纯铝平均晶粒尺寸被细化到大约200 μm。此后，随着添加量的增加，铝熔体中有效异质晶核达到饱和，纯铝平均晶粒尺寸不再明显变化。从图6可以看出，随着细化温度的升高，纯铝平均晶粒尺寸先减小后增大。细化温度为730 ℃时，纯铝平均晶粒尺寸最小，约为213 μm。温度低于730 ℃时，铝熔体的粘度大，TiAl3相在铝熔体内不能有效分散，熔体内部缺乏足够的有效异质晶核，降低了Al-5Ti-0.25C合金的细化效果。TiC在铝熔体中能稳定存在，但TiAl3相会溶解。SVYNARENKO K等[17]已经证明TiAl3在铝熔体中会溶解，温度高于730 ℃时，TiAl3相大量溶解弱化了Al-5Ti-0.25C合金的细化效果。细化时间曲线表明细化时间为2 min时，纯铝平均晶粒尺寸约为191 μm。细化时间在5～60 min时，纯铝平均晶粒尺寸由201 μm缓慢上升到280 μm，变化不大，即细化时间低于60 min时，Al-5Ti-0.25C合金具有良好的细化效果，无明显衰退现象。Al-5Ti-0.25C合金的最佳细化工艺是Al-5Ti-0.25C合金的质量分数为0.2%、细化温度为730 ℃和细化时间为2 min。

图6 Al-5Ti-0.25C合金的加入量、细化温度和细化时间与纯铝平均晶粒尺寸的关系

2.4 细化效果对比

图7为Al-5Ti-0.25C和Al-5Ti-1B合金的细化效果对比曲线，Al-5Ti-0.25C和Al-5Ti-1B合金的质量分数均为0.2%，细化温度为730 ℃。细化时间为2 min时，Al-5Ti-0.25C合金细化后的纯铝平均晶粒尺寸约为188 μm，比Al-5Ti-1B合金细化后的328 μm降低了42.68%。细化时间低于60 min时，Al-5Ti-0.25C合金的衰退现象没有Al-5Ti-1B合金明显。在相同细化时间条件下，Al-5Ti-0.25C合金的细化效果比Al-5Ti-1B合金好。图7表明Al-5Ti-0.25C合金的细化效果明显优于商用的Al-5Ti-1B合金。

图7 Al-5Ti-0.25C和商用Al-5Ti-1B的细化效果对比曲线

3 结论

1）采用机械加工产生的Al屑和Ti屑制备Al-5Ti-0.25C合金是对铝屑和钛屑回收再利用的有效方法，Al-5Ti-0.25C合金的最佳工艺是加料温度为860 ℃、反应温度为1000 ℃和反应时间为60 min。Al-5Ti-0.25C合金的最佳细化工艺是Al-5Ti-0.25C合金的质量分数为0.2%，细化温度为730 ℃和细化时间为2 min。

2）加料温度为950 ℃时，TiAl3相粗化并团聚。反应温度为900 ℃时，Al-5Ti-0.25C的微观组织中存在未溶解石墨，反应温度为1100 ℃时，TiAl3相由块状转变为长条状。反应时间低于60 min时，Al-5Ti- 0.25C微观组织中有未溶石墨，反应时间为90 min时，TiAl3相转变为长条状。

3）Al-5Ti-0.25C合金在细化时间低于60 min时无明显衰退现象，Al-5Ti-0.25C合金的细化效果比Al-5Ti-1B合金好。细化时间为2 min时，Al-5Ti-0.25C合金细化后的纯铝平均晶粒尺寸比Al-5Ti-1B合金细化的平均晶粒尺寸低42.68%。

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Preparation Process and Refining Performance of Al-5Ti-0.25C Alloy

YANG He, HU Mao-liang, LIU Tong, ZHOU Yu-qing, LU Kai, YANG Xing-fei, JI Ze-sheng

(School of Materials Science and Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China)

In this paper, Al and Ti chips produced by machining were used as raw materials to prepare the raw material of Al-5Ti-0.25C alloy. The effects of the addition temperature, reaction temperature and reaction time of Al and Ti chips on the microstructure of Al-5Ti-0.25C were analyzed to determine the best preparation process. On this basis, the refinement effects of Al-5Ti-0.25C addition, refinement temperature, refinement time and stirring treatment on pure aluminum were studied to determine the best refinement process and compare the refinement effects with commercial rod Al-5Ti-1B alloy. The results show that the optimal preparation process is that the feed temperature is 860 ℃, reaction temperature is 950 ℃ and reaction time is 60 min. The optimal refining process is that the addition amount of Al-5Ti-0.25C alloy is 0.2%, refining temperature is 730 ℃ and refining time is 2 min, with stirring treatment. After adding 0.2% Al-5Ti-0.25C alloy, the average grain size of pure aluminum is refined to about 200.2 μm. When the refining time is less than 60 min, the fading phenomenon in Al-5Ti-0.25C alloy is no obvious. The preparation of Al-5Ti-0.25C alloy with Al chips and Ti chips produced by machining can effectively solve the problem of recovery of Al chips and Ti chips. And the refining performance of Al-5Ti-0.25C alloy is better than that of commercial rod-like Al-5Ti-1B alloy.

Al-5Ti-0.25C; preparation process; refining performance; Al Chips; Ti chips

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.03.019

TG146.2+1

A

1674-6457(2021)03-0148-06

2021-03-11

2020年大学生创新创业项目（202010214146）；国家重点研发计划（2019YFB2006500）

杨何（1999—），男，金属材料工程专业本科生。

胡茂良（1980—），男，博士，教授，主要研究方向为镁铝合金新材料与强韧化。