晶粒细化剂对7050铝合金铸锭晶粒组织的影响

2024-03-01李丹丹温庆红

铝加工 2024年1期

李丹丹，樊勇，刘强，温庆红，牟春

（1.西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326；2.北京星航机电装备有限公司，北京 100071）

0 前言

7050 铝合金是通过降低7075 铝合金中的Fe 和Si 等杂质含量，提高Zn、Cu 的含量及Zn/Mg 比值，并在合金中添加Zr 替代Cr 开发出来的。由于这些成分的改进及采用过时效状态，使7050 铝合金在保持较高强度水平条件下，同时具有韧性好、疲劳强度高和抗应力腐蚀性能好等优良综合性能。7050 铝合金另一个突出的优点是淬透性好，特别适用于制造厚大截面的零件[1]。

晶粒细化是控制材料组织、改善材料性能的一个重要手段。通过晶粒细化，不仅使初晶α-Al 由粗大树枝晶变为细小等轴晶，而且还能起到以下作用：改善合金的补缩能力，使组织致密；使二次枝晶细小，第二相分布均匀，有利于抑制或减轻宏观偏析、羽毛状晶、浮游晶和粗大金属间化合物的生成；减少针孔的尺寸和数量，使其分布更加均匀弥散；消除铝合金表面缺陷和热轧缺陷，克服热裂缺陷和产生倾向，减少裂纹，改善和提高铸锭的塑性加工变形能力及提高产品的内在质量等。因此强化熔铸过程中的晶粒细化处理是控制铸锭组织、获得优质铝材加工坯料和改善铝合金冶金质量的重要途径[2]。

晶粒细化的途经有细化铸造组织、大变形量加工以及快速退火等手段，而添加晶粒细化剂细化铸造组织是最根本、最经济和最有效的方法[3]。在生产实践中，通常在铸造时向铝熔体中连续添加中间合金晶粒细化剂进行晶粒细化，这也是目前效果最好、最实用的晶粒细化方法。

目前，航空用变形铝合金的半连续铸造过程广泛采用AlTi3C0.15 和AlTi5B1 两类细化剂进行晶粒细化。

AlTi5B1 具有良好的细化效果，已被广泛应用于铝合金行业，但内部TiB2容易聚集、沉淀，同时Zr、Cr、Mn 等杂质元素还会与Ti 反应导致细化剂产生“中毒”现象。AlTi3C0.15 合金的TiC 不易发生聚集沉淀，对导致Al-Ti-B“中毒”的Zr、Cr、Mn 等元素具有“免疫”功能。但Al-Ti-C 的细化能力低于Al-Ti-B，而且具有明显的衰减性[4]，此外其制备工艺也较为复杂。

鉴于Al-Ti-C 和Al-Ti-B 细化剂的各自优缺点，目前关于AlTi3C0.15 和AlTi5B1 两类细化剂对7050 合金铸锭晶粒组织影响没有定论。本文拟对采用这两类细化剂生产的7050 铝合金铸锭晶粒组织进行对比研究，明晰晶粒组织差异，明确各类细化剂对7050铝合金铸锭的细化效果。

1 试验材料及方法

本试验使用的7050 铝合金铸锭分别采用AlTi3C0.15 和AlTi5B1 两类细化剂，共计3 种规格。铸锭明细见表1。

表1 铸锭明细

试验方法：取3种试验铸锭底部试片进行低倍浸蚀，观察低倍组织；并在各铸锭底部1/2 宽度沿厚度方向取高倍样品，观察3/8厚度（3T/8）和1/2厚度（T/2）位置的晶粒组织，并测量其晶粒尺寸，取样示意图见图1。

图1 高倍样品取样示意图

2 试验结果

2.1 低倍组织

3 种试验铸锭底部低倍试验组织见图2，低倍观察结果见表2。由图2、表2 可知：采用AlTi3C0.15 细化的两个规格铸锭低倍晶粒度在2.5～3 级之间；采用AlTi5B1 细化的铸锭低倍晶粒度为1.5级，明显小于采用AlTi3C0.15细化的铸锭。

图2 低倍组织

表2 低倍观察结果

2.2 晶粒组织

3种试验铸锭底部不同厚度位置样品的典型晶粒组织见图3，晶粒尺寸测量结果见表3。

图3 典型晶粒组织

表3 晶粒尺寸测量结果

由图3、表3 可知：各样品晶粒组织呈等轴状；采用AlTi3C0.15 细化剂的两个规格铸锭3/8 厚度位置的晶粒尺寸大于1/2 厚度位置，且两个规格铸锭晶粒尺寸基本相当；采用AlTi5B1 细化剂的铸锭3/8厚度位置的晶粒尺寸小于1/2厚度位置；采用AlTi3C0.15 细化剂的铸锭晶粒尺寸明显大于采用AlTi5B1细化剂的铸锭。

3 试验分析

采用AlTi3C0.15细化剂的两个规格铸锭晶粒尺寸基本相当，且铸锭晶粒尺寸明显大于采用AlTi5B1细化剂的铸锭。可以看出，对于7050铝合金而言，AlTi3C0.15 晶粒细化剂细化效果不如AlTi5B1晶粒细化剂。

在半连续铸造过程中，热量由铸锭心部向铸锭边部扩散，铸锭边部由结晶器及水流冷却，因此，凝固的过冷度由铸锭心部向边部逐渐增大，临界形核尺寸逐渐减小，形核率逐渐提高，铸锭晶粒尺寸逐渐减小[5]。但是采用AlTi3C0.15 细化剂的两个规格铸锭3/8 厚度位置的晶粒尺寸大于1/2 厚度位置。这可能与AlTi3C0.15 和AlTi5B1 晶粒细化剂的作用及分布存在差异有关。