7050合金鑄錠晶粒細(xì)化

向曙光，游 文，張芯華

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401326）

0 前言

隨著鋁及鋁合金材料的廣泛應(yīng)用和飛速發(fā)展，尤其是在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用，人們對變形鋁合金鑄錠及其深加工變形后的組織提出了更為嚴(yán)格的要求[1]。7050合金由于具有高強韌性、良好淬透性及滿意的抗應(yīng)力腐蝕等綜合性能，其加工材主要用作航空航天飛行器的受力構(gòu)件，如機翼翼梁、機身加強框、起落架支撐梁、機身框架、機身隔板、機翼壁板、翼肋，等等。但由于7050 合金是高合金化設(shè)計并含有Zr 元素等，一方面導(dǎo)致鑄造裂紋傾向大，另一方面鑄錠晶粒細(xì)化效應(yīng)相比其它非含Zr合金有較大的區(qū)別，合金細(xì)化較其他系列鋁合金更加困難[2]。晶粒細(xì)化既能提高材料的強度，又能增加合金的塑性，研究7050 合金的微觀晶粒組織對提高其綜合性能具有很重要的現(xiàn)實意義。本文著重研究了生產(chǎn)7050 合金鑄錠時鋁鈦碳細(xì)化劑的加入工藝以及熔體過濾方式對鑄錠晶粒大小的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本文選用表1 所示7050 合金作為待細(xì)化母合金，采用英國LSM公司的Al-3Ti-0.15C作為鑄造生產(chǎn)時的晶粒細(xì)化劑，熔體過濾分別使用日本三井金屬RB級陶瓷過濾管組和PYROTEK公司40PPi精度等級陶瓷過濾板。

表1 7050合金成分控制范圍（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.2 試驗方法

選擇使用低Fe、Si 原鋁錠，并按表1 成分配料。熔體過濾分別通過管式過濾或板式過濾，熔體精煉在線除氣采用旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子式除氣裝置，晶粒細(xì)化劑分別在不同位置、不同溫度等工藝條件下加入。采用西南鋁技術(shù)中心16#自動化熔鑄機組進(jìn)行細(xì)化劑加入位置和熔體過濾方式的影響試驗，細(xì)化劑加入溫度、加入時間、加入量、爐內(nèi)鈦含量影響等試驗采用勺子取熔體澆入?50 mm 銅模冷卻方式進(jìn)行。試片或試樣表面經(jīng)加工和堿蝕后，肉眼檢測試片宏觀晶粒度，所檢測晶粒為試樣最大晶粒度，按Ⅷ級晶粒度評級；在試片/試樣中心部位取高倍試樣，采用德國Leica DMI 5000M 金相顯微鏡觀測顯微晶粒形貌并拍照。

2 試驗結(jié)果

2.1 細(xì)化劑加入溫度的影響

在相同晶粒細(xì)化劑加入量和保持時間條件下，比較不同的熔體溫度對鑄錠晶粒細(xì)化效果的影響，結(jié)果見表2 和圖1。可以看到細(xì)化劑加入時的熔體溫度對鑄錠晶粒大小是有影響的，溫度過高或過低時，枝晶樣狀晶粒明顯。熔體溫度影響著細(xì)化劑中TiAl3的熔解程度，對熔體中鈦的擴散場和形核率產(chǎn)生影響；熔體溫度過高，TiC 粒子的穩(wěn)定性受到影響，加上高溫下熔體本身去活作用加強，細(xì)化劑加入溫度較高時細(xì)化能力最差。相對來看，在熔體730 ℃左右加入細(xì)化劑時晶粒較細(xì)小。

表2 細(xì)化劑加入溫度試驗

2.2 細(xì)化劑加入時間的影響

根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)實際情況，在線加入細(xì)化劑后熔體從經(jīng)過在線裝置、流槽直至在結(jié)晶器內(nèi)凝固會有一段時間，因此在相同加入溫度和細(xì)化劑添加量條件下，研究比較了不同保溫時間對鑄錠晶粒細(xì)化效果的影響，試驗方案及結(jié)果如表3 和圖2 所示。可以見到，由于細(xì)劑化加入后的保持時間會影響到細(xì)化顆粒的溶解和衰減失效，所以加入細(xì)化劑后到鑄造凝固結(jié)晶之間的停留時間以20 min左右為宜。

表3 細(xì)化劑加入保持時間試驗

圖1 細(xì)化劑加入溫度對晶粒影響

圖2 不同細(xì)化劑停留時間對晶粒的影響

2.3 細(xì)化劑加入量的影響

細(xì)化劑加入量無疑是影響晶粒細(xì)化最重要的因素。本文按表4試驗方案研究了相同加入細(xì)化劑溫度、相同保持時間下，不同細(xì)化劑加入量對晶粒的影響（如圖3 所示）。很明顯，隨著細(xì)化劑加入量增多，細(xì)化核心變多，當(dāng)Ti加入量在0.01%以上時晶粒細(xì)化效果開始明顯，當(dāng)超過0.02%后，細(xì)化效率降低，細(xì)化效果已不再明顯，而且熔體中未參與細(xì)化的過量細(xì)化顆粒會團(tuán)簇聚集，進(jìn)而影響合金斷口韌性疲勞等性能。所以細(xì)化劑的加入量應(yīng)控制在0.01%～0.015%范圍為宜。

圖3 不同細(xì)化劑加入量對晶粒的影響

圖4 爐內(nèi)Ti量對晶粒的影響

表4 細(xì)化劑加入量試驗方案

2.4 爐內(nèi)鈦含量的影響

本文對爐內(nèi)鈦（Al-4Ti） 量和在線細(xì)化劑（Al-Ti-C）加入量比例對晶粒的影響作用也作了探索試驗（如表5、圖4所示）。爐內(nèi)熔體含有Ti元素時，不僅本身對合金具有一定的細(xì)化作用，更為重要的是熔體過剩Ti元素能夠保證所添加的Al-Ti-C細(xì)化劑能補充細(xì)化劑中的Ti，有利于發(fā)揮TiC 顆粒的異質(zhì)形核作用，同時也降低Al-Ti-C 的消耗量。試驗發(fā)現(xiàn)在線細(xì)化劑添加量對晶粒大小的影響是最大的，當(dāng)在線細(xì)化劑加入量與爐內(nèi)細(xì)化Ti量比例達(dá)成2∶1時，晶粒細(xì)化效果較好（見圖4）。

表5 爐內(nèi)Ti含量影響

2.5 細(xì)化劑加入位置的影響

根據(jù)細(xì)化劑參與鑄錠晶粒細(xì)化機理，在除氣裝置入口（常規(guī)加入位置）及出口、鑄造流槽處分別加入細(xì)化劑，并研究細(xì)化劑加入位置對鑄錠晶粒的影響（見圖5、表6）。由表6 可知，管式過濾熔體時由于過濾太過精細(xì)，無論細(xì)化劑在除氣裝置前后加入，鑄錠晶粒大小都不是太穩(wěn)定，隨過濾管淤積堵塞嚴(yán)重，鑄錠晶粒逐漸粗大；在使用板式過濾時，細(xì)化劑在除氣室入口及出口加入時鑄錠晶粒大小幾乎無差別；而在鑄造流槽處加入細(xì)化劑時，因沒有過濾裝置對細(xì)化顆粒的攔截作用，可以獲得晶粒穩(wěn)定的鑄錠，但會使后續(xù)加工材的探傷、斷口缺陷風(fēng)險加大。同時試驗表明，細(xì)化劑加入熔體后停留時間≤20 min 時，熔體是否攪動對細(xì)化效果影響不明顯，工業(yè)生產(chǎn)時可以利用除氣轉(zhuǎn)子的攪動作用促進(jìn)細(xì)化顆粒均勻分布。也就是說細(xì)化劑完全可以從除氣裝置入口處加入。

圖5 細(xì)化劑加入位置示意

表6 細(xì)化劑加入位置對鑄錠晶粒度的影響

3 分析討論

影響鋁合金鑄錠晶粒度因素很多，主要有活性雜質(zhì)含量、合金成分、熔體過熱度、導(dǎo)流方式、熔體相對結(jié)晶面運動、冷卻速度、鑄造速度等[3]。鋁及鋁合金晶粒細(xì)化機制十分復(fù)雜，人們提出了各種理論，主要包括：相圖理論、包晶反應(yīng)理論、碳化物和硼化物理論、亞穩(wěn)相理論、α-Al 晶體增殖理論等，但沒有一種理論可以全面說明這種過程。對于Al-Ti-C晶粒細(xì)化劑流行的說法是：由于細(xì)化劑中TiAl3和α-Al 為特殊共格關(guān)系，α-Al 容易依附TiAl3形核，而TiC 不能直接成為α-Al 的核心，細(xì)微的TiC粒子可以作為TiAl3的核心，這樣形成一種復(fù)合的細(xì)化顆粒結(jié)構(gòu)—TiAl3包裹TiC 后成為α-Al的核心。細(xì)化劑中的TiAl3起著關(guān)鍵作用，當(dāng)TiAl3相進(jìn)入熔體后，由于其熔點低而發(fā)生熔解；熔體冷卻過程中，在高熔點TiC粒子周圍會偏聚大量Ti元素，會形成Ti擴散層，含有Ti富集層的TiC顆粒更加容易彌散分布于整個熔體內(nèi)部，有利于異質(zhì)形核過程的發(fā)生[4]。

當(dāng)熔體中存在過剩Ti元素時，能夠補充細(xì)化劑中的Ti，增加有效形核質(zhì)點[5]，而在熔體配料中和轉(zhuǎn)流槽加入Ti，預(yù)先熔入熔體正是起到過剩Ti的作用，爐內(nèi)適量Ti 含量會促進(jìn)細(xì)化作用。熔體溫度、細(xì)化劑停留時間、加入數(shù)量會影響細(xì)化劑中TiAl3、TiC 顆粒的形狀、尺寸、分布狀態(tài)和數(shù)量，從而對鑄錠晶粒產(chǎn)生影響。熔體中的TiC粒子可能存在發(fā)生團(tuán)聚并下沉至底部的趨勢[4]，導(dǎo)致細(xì)化劑細(xì)化效果隨著加入溫度、停留時間的延長而衰減，因此加入溫度過低和作用時間太短也不利于細(xì)化劑中TiAl3溶入熔體形成富含Ti 的擴散層，不利于晶粒細(xì)化。熔體過濾裝置會阻截未溶大尺寸TiAl3，過濾淤積堵塞物的取樣分析顯示富含Ti即證實了這種可能性，而高精度的過濾裝置也會影響晶粒細(xì)化能力。因此，在實際生產(chǎn)中二者之間應(yīng)該保持一個較好的平衡。隨細(xì)化劑加入量增加，晶粒逐漸細(xì)小，當(dāng)細(xì)化劑超過一定量時，晶粒細(xì)小效果不再明顯，而熔體中未參與細(xì)化的過量細(xì)化粒子會發(fā)生團(tuán)簇聚集現(xiàn)象，最終導(dǎo)致產(chǎn)品探傷、斷口缺陷增多和性能急劇下降。

4 結(jié)論

（1）進(jìn)行7050 合金鑄造生產(chǎn)時，在線添加Al-3Ti-0.15C 晶粒細(xì)化劑以加入0.01%Ti、溫度730 ℃為宜，細(xì)化劑在除氣裝置入口添加后停留時間應(yīng)控制在20 min左右。

（2）熔體中存有的Ti 量與細(xì)化劑中Ti 量比例為1∶2 時，可促進(jìn)晶粒細(xì)化；高精細(xì)的熔體過濾會阻截有效細(xì)化顆粒，降低晶粒細(xì)化效果。