Al-5Ti-xLa合金的微觀組織與細化行為

安勇良,　尹冬松,　趙繼濤,　張忠凱,　甘杭中,　張春宇

(1.黑龍江科技大學 材料科學與工程學院, 哈爾濱 150022；2.哈爾濱東盛金屬材料有限公司, 哈爾濱 150090)

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Al-5Ti-xLa合金的微觀組織與細化行為

安勇良1,尹冬松1,趙繼濤1,張忠凱2,甘杭中1,張春宇2

(1.黑龍江科技大學 材料科學與工程學院, 哈爾濱 150022；2.哈爾濱東盛金屬材料有限公司, 哈爾濱 150090)

為了提高細化劑Al-5Ti合金細化效果,通過熔鑄法制備Al-5Ti-xLa(x=0, 0.5, 1.0, 1.5)中間合金。采用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀等儀器分析合金微觀組織,研究了稀土La對Al-5Ti中間合金微觀組織的影響,以及Al-5Ti-xLa中間合金細化劑對Al-7Si合金的細化行為。結果表明:在Al-5Ti中添加La后,合金中Al-Ti相粒子的尺寸明顯降低。當La添加量增加至1.5%時,細化劑Al-5Ti-xLa中Al-Ti相粒子尺寸最小,并呈彌散分布。Al-5Ti-xLa對Al-7Si合金的細化效果明顯高于Al-5Ti合金,并隨著La質量分數(shù)增加細化效果更加顯著。

Al-5Ti; La; 微觀組織; 細化

0　引　言

鋁合金密度低,但強度比較高,接近或超過優(yōu)質鋼,塑性好,可加工成各種型材,具有優(yōu)良的導電性、導熱性和抗蝕性,在工業(yè)上廣泛使用。由于鑄造鋁合金的凝固組織存在晶粒粗大的特點,并存在大量的柱狀晶,影響了其力學性能以及鋁合金件的進一步加工。因此,需要細化鋁合金的凝固組織,獲得細小均勻的等軸晶組織,以期提高其力學性能。

鋁合金的細化方法中最主要的是在鋁熔體中添加各種細化劑，目前生產(chǎn)中常用的細化劑有Al-5Ti、Al-Ti-B、Al-Ti-C等，其中Al-Ti-B中間合金是目前較為廣泛使用的，Al-5Ti應用也較為廣泛，大約75%的鋁加工企業(yè)都在使用這兩種細化劑。兩種細化劑均是采用氟鹽法制備，而且具有較好的細化效果；但這兩類細化劑如選擇或使用不當，會對產(chǎn)品的質量造成不良的影響。主要是因為Al-Ti-B中存在的Al3Ti粒子過于粗大，TiB2粒子偏聚的問題，極易與氧化膜或者熔體中的鹽類溶劑結合造成夾雜，從而影響其細化效率[1]，在軋制雙零鋁箔時容易導致針孔。雖然Al-Ti-B細化劑有較優(yōu)異的細化晶粒能力，但其抗衰減性能不是很好，因為TiB2粒子易聚集沉淀，當鋁液中含有微量的Zr、Cr、Mn等溶質時，TiB2易受到這些原子的“毒化”而失去細化處理作用，并且無法滿足鋁及其合金在罐材用料、超薄鋁箔、磁盤、陽極氧化產(chǎn)品等方面的性能要求[2]，因此開發(fā)新型高效細化劑尤為緊迫和關鍵。

諸多學者對鋁合金細化劑展開了大量的研究,張作貴等[3]研究了在用原位反應法合成Al-Ti-C晶粒細化劑的TiC形成過程。姜文輝等[4]研究了一種新的制備方法——真空沸騰法,并深入探索細化劑形核機理。張樂等[5]研究了富Ce稀土對工業(yè)純鋁細化的影響,發(fā)現(xiàn)稀土能夠延長Al-Ti-B的細化衰退時間。李志揚等[2]研究LaF3和碳酸富La 稀土對Al-Ti-B微觀組織影響,發(fā)現(xiàn)0.3%La可以使Al3Ti相長度降低20～30 μm。綜上,加入稀土元素后,能夠在鋁鈦合金晶界上析出,阻礙晶粒的長大,可以有效控制晶粒粗化,改善鋁鈦合金微觀組織;同時會與其他金屬元素或雜質元素反應生成高熔點的化合物,彌散分布在熔體中,細化鑄態(tài)晶粒與枝晶組織,從而加強其細化效果。但是稀土元素的添加增加了合金制造成本,故需要考慮提高稀土的細化效果[6-7],同時劉政等[8]發(fā)現(xiàn)電磁攪拌也對稀土在鋁合金中的均勻分布也有很大作用。因此,筆者采用鋁稀土中間合金Al-La中間合金的形式,通過熔鑄法加以電磁攪拌來制備Al-Ti-xLa合金,分析稀土La對Al-5Ti合金微觀組織影響,以及Al-5Ti-xLa對Al-7Si合金細化行為的影響,為生產(chǎn)高效、穩(wěn)定、成本低廉的細化劑提供參考。

1　實驗材料與方法

采用商用Al-5Ti中間合金作為原料,稀土La以Al-La中間合金形式進行添加。在型號為ZG-2的真空感應爐中熔配新型Al-5Ti-xLa(x=0,0.5,1.0,1.5)細化劑。采用交變電磁場產(chǎn)生的渦流對合金熔體進行攪拌,以確保中間合金成分均勻。澆注前靜置5 min后,澆入預熱至250 ℃的石墨型模具中。得到新型Al-5Ti-xLa的細化劑試樣。制備好的Al-5Ti-xLa細化劑分別加入到熔融的鋁硅合金中,細化劑加入量為1.0%(按0.1%燒損計算)。待細化劑熔化后攪拌保溫25 min加六氯乙烷精煉,5 min后開爐扒渣澆注。金相試樣均采用體積分數(shù)為10% HF溶液進行腐蝕。應用XJG-05金相顯微鏡對金相試樣進行觀察分析。采用L30-ESEM掃描電鏡觀察試樣顯微組織及其附件EDAX32型能譜分析儀對試樣進行成分分析。

2　結果與分析

2.1細化劑顯微組織

2.1.1金相顯微組織

圖1為50倍金相顯微鏡下細化劑Al-5Ti和100倍金相顯微鏡下細化劑Al-5Ti-0.5La、Al-5Ti-1.0La和Al-5Ti-1.5La的顯微組織。

沒有添加稀土La時,Al-5Ti原始合金顯微組織中析出相尺寸極為粗大,尺寸波動較大,如圖1a所示。當Al-5Ti中稀土La的添加量為0.5%時,析出相尺寸明顯比沒有添加稀土La的Al-5Ti合金析出相尺寸小,并向樹枝狀轉變,如圖1b所示。當Al-5Ti合金中稀土La的添加量為1.0%時,析出相尺寸徑向上進一步降低,軸向上細化不顯著,如圖1c所示。當Al-5Ti合金中稀土La的添加量為1.5%時,析出相尺寸徑向和軸向上都進一步降低,部分析出相呈顆粒狀分布,如圖1d所示。

2.1.2掃描電鏡顯微組織

細化劑Al-5Ti-1.5La的掃描電子顯微鏡顯微組織和能譜如圖2b、d所示。由圖2a和c可見,合金基體上分布著條狀組織,該組織由兩部分,內部呈灰色條狀,部分區(qū)域出現(xiàn)枝狀,組織外部呈亮白色且尺寸較大。

由圖2b可見,對中心部分灰黑色相進行能譜分析可知,該相質量百分比為Al 97.88%、Ti 0.41%、La 1.7%,主要成分是鋁,含有少量的鈦和少量的鑭,由此可以判斷此處有少量的Al-Ti-La析出相。由圖2d可見,對外部亮白相進行能譜分析可知,質量百分比為Al 96.43%、Ti 11.92%、La 18.65%,結合文獻[9]可知這種析出相為Al3Ti和Al4La。

圖1　細化劑Al-5Ti-xLa合金金相顯微組織

圖2　Al-5Ti-1.5La的掃描電鏡顯微組織及能譜

2.2Al-5Ti-xLa的細化行為

研究細化劑Al-5Ti-xLa的細化行為需要觀察被細化后的合金枝晶尺寸大小和分布情況。鋁硅合金是應用比較廣泛的一種合金,而且枝晶臂也比較粗大,適合用于對細化劑Al-5Ti-xLa的細化行為的研究。

圖3為100倍金相顯微鏡下分別被細化劑Al-5Ti、Al-5Ti-0.5La、Al-5Ti-1.0La、Al-5Ti-1.5La細化后的Al-7Si合金(分別記為試樣1、試樣2、試樣3、試樣4)的金相顯微組織。

圖3　Al-7Si合金金相顯微組織

由圖3可見,添加了不含稀土La的細化劑Al-5Ti時,Al-7Si合金枝晶尺寸波動大,最大的特點就是枝晶臂比較粗大,如圖3a所示。當添加了含稀土La的細化劑Al-5Ti-0.5La時,Al-7Si合金枝晶尺寸與試樣1的比波動減小,粗大的枝晶臂數(shù)量減少,如圖3b所示。當添加了含稀土La的細化劑Al-5Ti-1.0La時,Al-7Si合金枝晶尺寸波動明顯比試樣1與試樣2的枝晶尺寸波動要小,枝晶臂尺寸整體也較小,細化效果較為明顯,如圖3 c所示。當添加了含稀土La的細化劑Al-5Ti-1.5La時,鋁硅合金枝晶尺寸基本沒有波動,枝晶臂尺寸相當,明顯比試樣1、試樣2、試樣3的枝晶臂尺寸要細,細化效果非常明顯,如圖3d所示。

圖4為200倍金相顯微鏡下分別被細化劑Al-5Ti、Al-5Ti-0.5La、Al-5Ti-1.0La、Al-5Ti-1.5La細化后的Al-7Si合金試樣1、試樣2、試樣3和試樣4的金相顯微組織。

由圖4較高放大倍數(shù)可以看出,添加了不含稀土La的細化劑Al-5Ti時,Al-7Si合金中共晶硅呈塊狀且尺寸較大如圖4a中A點所示。當添加了含稀土La的細化劑Al-5Ti-0.5La時,Al-7Si合金共晶硅尺寸與試樣1的比塊狀變小且有呈細條狀的趨勢如圖4b中B點所示。當添加了含稀土La的細化劑Al-5Ti-1.0La時,Al-7Si合金共晶硅與試樣1、試樣2相比,塊狀基本消除而呈條狀分布如圖4c中C點所示。當添加了含稀土La的細化劑Al-5Ti-1.5La時,Al-7Si合金中共晶硅與試樣1、試樣2、試樣3相比,大部分區(qū)域從塊狀、條狀變?yōu)轭w粒狀,但局部區(qū)域仍存在少許未被細化的條狀顆粒,究其原因可能與電磁渦流攪拌不充分導致局部組織細化不均勻,但整體細化效果還是比較明顯如圖4d中D點所示。

從圖3和圖4金相顯微組織的分析,添加了含稀土La的細化劑Al-5Ti-xLa的Al-7Si合金細化效果比細化劑Al-5Ti的好,并隨著La含量增加細化效果更加顯著。上述細化劑的顯微組織也顯示了添加La后合金中Al-Ti相粒子的尺寸明顯降低,當La添加量增加至1.5%時,細化劑Al-5Ti-xLa中Al-Ti相粒子尺寸最小,且顯微硬度也隨La添加量增加而增加。說明La對細化劑Al-5Ti析出相有細化作用,細化劑Al-5Ti-1.5La中有大量的第二相顆粒,足以為Al-7Si提供α-Al的形核,并抑制其長大。

Al-7Si合金的細化過程最重要的問題是α-Al的成核問題,即細化機理的問題。晶粒細化是通過促進晶粒形核與抑制晶粒長大的共同作用實現(xiàn)的。然而細化劑能否起到細化的作用主要看它是否能滿足以下四點要求:(1)含有穩(wěn)定的異質固相形核顆粒,不易溶解;(2)異質形核顆粒與固相α-Al間存在良好的晶格匹配關系;(3)異質形核顆粒應非常小并在鋁硅溶體中呈高度彌散分布;(4)加入的細化劑不能帶入任何影響鋁合金性能的有害元素或雜質。

圖4　Al-7Si合金金相顯微組織

鑄造Al-7Si合金中有α-Al、共晶硅及初晶硅,其中α-Al呈樹枝狀,共晶硅呈片狀,初晶硅呈多角形和板狀。細化劑Al-5Ti-xLa加入鋁硅中會彌散著第二相顆粒Al3Ti與Al4La。Al3T與Al4La粒子熔點高(高達1 300 ℃),溶解度小,長期在鋁硅熔體(750 ℃)中也不能熔解,因此細化劑Al-5Ti-xLa的加入提供了很多第二相顆粒,有利于形核[10]。

3　結　論

(1)稀土La對Al-5Ti有細化作用,在Al-5Ti中添加La后合金中Al3Ti相粒子的尺寸明顯降低;

(2)當La添加量增加至1.5%時,細化劑Al-5Ti-xLa中Al3Ti和Al4La相粒子尺寸最小,并呈彌散分布;

(3)Al-5Ti-xLa對Al-7Si的細化效果明顯高于Al-5Ti合金,并隨著La質量分數(shù)增加細化效果更加顯著。

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(編輯李德根)

Microstructure and refinement behavior of Al-5Ti-xLa al

ANYongliang1,YINDongsong1,ZHAOJitao1,ZHANGZhongkai2,GANHangzhong1,ZHANGChunyu2

(1.School of Materials Science & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2.Harbin Dongsheng Metal Materials Co. Ltd., Harbin 150090, China)

This paper arises from the need for improving the refining effect of refine agent of Al-5Ti alloy. The improvement is rendered possible by preparing a series of Al-5Ti-xLa (x= 0, 0.5, 1.0, 1.5) intermediate alloy by melting-casting; analyzing the microstructures of alloy by optical microscopy, scanning electron microscopy, and X-ray diffraction and studying the influence of La on the microstructure of Al-5Ti alloy and refinement behavior of Al-5Ti-xLa alloy. The results show that the addition of La in Al-5Ti alloy is followed by a significant decrease in the size of Al-Ti alloy phase particles; the addition of the amount of La to 1.5% produces the smallest Al-Ti phase particles in the refine agent Al-5Ti-xLa, with dispersed distribution; and Al-5Ti-xLa boasts a significantly better refining effect on Al-7Si than Al-5Ti alloy and gives an even more significant refining effect due to increases in the La content.

Al-5Ti; La; microstructure; refine

2015-05-28

黑龍江省應用技術與研究開發(fā)計劃項目 (GC13A104)

安勇良(1982-),男,吉林省吉林人,講師,博士研究生,研究方向:輕合金材料的制備、設計、計算及納米功能化,E-mail: ylanhust@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.04.004

TG292

2095-7262(2015)04-0366-05

A