安勇良,　尹冬松,　赵继涛,　张忠凯,　甘杭中,　张春宇

(1.黑龙江科技大学 材料科学与工程学院, 哈尔滨 150022；2.哈尔滨东盛金属材料有限公司, 哈尔滨 150090)



Al-5Ti-xLa合金的微观组织与细化行为

安勇良1,尹冬松1,赵继涛1,张忠凯2,甘杭中1,张春宇2

(1.黑龙江科技大学 材料科学与工程学院, 哈尔滨 150022；2.哈尔滨东盛金属材料有限公司, 哈尔滨 150090)

为了提高细化剂Al-5Ti合金细化效果,通过熔铸法制备Al-5Ti-xLa(x=0, 0.5, 1.0, 1.5)中间合金。采用金相显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪等仪器分析合金微观组织,研究了稀土La对Al-5Ti中间合金微观组织的影响,以及Al-5Ti-xLa中间合金细化剂对Al-7Si合金的细化行为。结果表明:在Al-5Ti中添加La后,合金中Al-Ti相粒子的尺寸明显降低。当La添加量增加至1.5%时,细化剂Al-5Ti-xLa中Al-Ti相粒子尺寸最小,并呈弥散分布。Al-5Ti-xLa对Al-7Si合金的细化效果明显高于Al-5Ti合金,并随着La质量分数增加细化效果更加显著。

Al-5Ti; La; 微观组织; 细化

0　引　言

铝合金密度低,但强度比较高,接近或超过优质钢,塑性好,可加工成各种型材,具有优良的导电性、导热性和抗蚀性,在工业上广泛使用。由于铸造铝合金的凝固组织存在晶粒粗大的特点,并存在大量的柱状晶,影响了其力学性能以及铝合金件的进一步加工。因此,需要细化铝合金的凝固组织,获得细小均匀的等轴晶组织,以期提高其力学性能。

铝合金的细化方法中最主要的是在铝熔体中添加各种细化剂，目前生产中常用的细化剂有Al-5Ti、Al-Ti-B、Al-Ti-C等，其中Al-Ti-B中间合金是目前较为广泛使用的，Al-5Ti应用也较为广泛，大约75%的铝加工企业都在使用这两种细化剂。两种细化剂均是采用氟盐法制备，而且具有较好的细化效果；但这两类细化剂如选择或使用不当，会对产品的质量造成不良的影响。主要是因为Al-Ti-B中存在的Al3Ti粒子过于粗大，TiB2粒子偏聚的问题，极易与氧化膜或者熔体中的盐类溶剂结合造成夹杂，从而影响其细化效率[1]，在轧制双零铝箔时容易导致针孔。虽然Al-Ti-B细化剂有较优异的细化晶粒能力，但其抗衰减性能不是很好，因为TiB2粒子易聚集沉淀，当铝液中含有微量的Zr、Cr、Mn等溶质时，TiB2易受到这些原子的“毒化”而失去细化处理作用，并且无法满足铝及其合金在罐材用料、超薄铝箔、磁盘、阳极氧化产品等方面的性能要求[2]，因此开发新型高效细化剂尤为紧迫和关键。

诸多学者对铝合金细化剂展开了大量的研究,张作贵等[3]研究了在用原位反应法合成Al-Ti-C晶粒细化剂的TiC形成过程。姜文辉等[4]研究了一种新的制备方法——真空沸腾法,并深入探索细化剂形核机理。张乐等[5]研究了富Ce稀土对工业纯铝细化的影响,发现稀土能够延长Al-Ti-B的细化衰退时间。李志扬等[2]研究LaF3和碳酸富La 稀土对Al-Ti-B微观组织影响,发现0.3%La可以使Al3Ti相长度降低20～30 μm。综上,加入稀土元素后,能够在铝钛合金晶界上析出,阻碍晶粒的长大,可以有效控制晶粒粗化,改善铝钛合金微观组织;同时会与其他金属元素或杂质元素反应生成高熔点的化合物,弥散分布在熔体中,细化铸态晶粒与枝晶组织,从而加强其细化效果。但是稀土元素的添加增加了合金制造成本,故需要考虑提高稀土的细化效果[6-7],同时刘政等[8]发现电磁搅拌也对稀土在铝合金中的均匀分布也有很大作用。因此,笔者采用铝稀土中间合金Al-La中间合金的形式,通过熔铸法加以电磁搅拌来制备Al-Ti-xLa合金,分析稀土La对Al-5Ti合金微观组织影响,以及Al-5Ti-xLa对Al-7Si合金细化行为的影响,为生产高效、稳定、成本低廉的细化剂提供参考。

1　实验材料与方法

采用商用Al-5Ti中间合金作为原料,稀土La以Al-La中间合金形式进行添加。在型号为ZG-2的真空感应炉中熔配新型Al-5Ti-xLa(x=0,0.5,1.0,1.5)细化剂。采用交变电磁场产生的涡流对合金熔体进行搅拌,以确保中间合金成分均匀。浇注前静置5 min后,浇入预热至250 ℃的石墨型模具中。得到新型Al-5Ti-xLa的细化剂试样。制备好的Al-5Ti-xLa细化剂分别加入到熔融的铝硅合金中,细化剂加入量为1.0%(按0.1%烧损计算)。待细化剂熔化后搅拌保温25 min加六氯乙烷精炼,5 min后开炉扒渣浇注。金相试样均采用体积分数为10% HF溶液进行腐蚀。应用XJG-05金相显微镜对金相试样进行观察分析。采用L30-ESEM扫描电镜观察试样显微组织及其附件EDAX32型能谱分析仪对试样进行成分分析。

2　结果与分析

2.1细化剂显微组织

2.1.1金相显微组织

图1为50倍金相显微镜下细化剂Al-5Ti和100倍金相显微镜下细化剂Al-5Ti-0.5La、Al-5Ti-1.0La和Al-5Ti-1.5La的显微组织。

没有添加稀土La时,Al-5Ti原始合金显微组织中析出相尺寸极为粗大,尺寸波动较大,如图1a所示。当Al-5Ti中稀土La的添加量为0.5%时,析出相尺寸明显比没有添加稀土La的Al-5Ti合金析出相尺寸小,并向树枝状转变,如图1b所示。当Al-5Ti合金中稀土La的添加量为1.0%时,析出相尺寸径向上进一步降低,轴向上细化不显著,如图1c所示。当Al-5Ti合金中稀土La的添加量为1.5%时,析出相尺寸径向和轴向上都进一步降低,部分析出相呈颗粒状分布,如图1d所示。

2.1.2扫描电镜显微组织

细化剂Al-5Ti-1.5La的扫描电子显微镜显微组织和能谱如图2b、d所示。由图2a和c可见,合金基体上分布着条状组织,该组织由两部分,内部呈灰色条状,部分区域出现枝状,组织外部呈亮白色且尺寸较大。

由图2b可见,对中心部分灰黑色相进行能谱分析可知,该相质量百分比为Al 97.88%、Ti 0.41%、La 1.7%,主要成分是铝,含有少量的钛和少量的镧,由此可以判断此处有少量的Al-Ti-La析出相。由图2d可见,对外部亮白相进行能谱分析可知,质量百分比为Al 96.43%、Ti 11.92%、La 18.65%,结合文献[9]可知这种析出相为Al3Ti和Al4La。

图1　细化剂Al-5Ti-xLa合金金相显微组织

图2　Al-5Ti-1.5La的扫描电镜显微组织及能谱

2.2Al-5Ti-xLa的细化行为

研究细化剂Al-5Ti-xLa的细化行为需要观察被细化后的合金枝晶尺寸大小和分布情况。铝硅合金是应用比较广泛的一种合金,而且枝晶臂也比较粗大,适合用于对细化剂Al-5Ti-xLa的细化行为的研究。

图3为100倍金相显微镜下分别被细化剂Al-5Ti、Al-5Ti-0.5La、Al-5Ti-1.0La、Al-5Ti-1.5La细化后的Al-7Si合金(分别记为试样1、试样2、试样3、试样4)的金相显微组织。

图3　Al-7Si合金金相显微组织

由图3可见,添加了不含稀土La的细化剂Al-5Ti时,Al-7Si合金枝晶尺寸波动大,最大的特点就是枝晶臂比较粗大,如图3a所示。当添加了含稀土La的细化剂Al-5Ti-0.5La时,Al-7Si合金枝晶尺寸与试样1的比波动减小,粗大的枝晶臂数量减少,如图3b所示。当添加了含稀土La的细化剂Al-5Ti-1.0La时,Al-7Si合金枝晶尺寸波动明显比试样1与试样2的枝晶尺寸波动要小,枝晶臂尺寸整体也较小,细化效果较为明显,如图3 c所示。当添加了含稀土La的细化剂Al-5Ti-1.5La时,铝硅合金枝晶尺寸基本没有波动,枝晶臂尺寸相当,明显比试样1、试样2、试样3的枝晶臂尺寸要细,细化效果非常明显,如图3d所示。

图4为200倍金相显微镜下分别被细化剂Al-5Ti、Al-5Ti-0.5La、Al-5Ti-1.0La、Al-5Ti-1.5La细化后的Al-7Si合金试样1、试样2、试样3和试样4的金相显微组织。

由图4较高放大倍数可以看出,添加了不含稀土La的细化剂Al-5Ti时,Al-7Si合金中共晶硅呈块状且尺寸较大如图4a中A点所示。当添加了含稀土La的细化剂Al-5Ti-0.5La时,Al-7Si合金共晶硅尺寸与试样1的比块状变小且有呈细条状的趋势如图4b中B点所示。当添加了含稀土La的细化剂Al-5Ti-1.0La时,Al-7Si合金共晶硅与试样1、试样2相比,块状基本消除而呈条状分布如图4c中C点所示。当添加了含稀土La的细化剂Al-5Ti-1.5La时,Al-7Si合金中共晶硅与试样1、试样2、试样3相比,大部分区域从块状、条状变为颗粒状,但局部区域仍存在少许未被细化的条状颗粒,究其原因可能与电磁涡流搅拌不充分导致局部组织细化不均匀,但整体细化效果还是比较明显如图4d中D点所示。

从图3和图4金相显微组织的分析,添加了含稀土La的细化剂Al-5Ti-xLa的Al-7Si合金细化效果比细化剂Al-5Ti的好,并随着La含量增加细化效果更加显著。上述细化剂的显微组织也显示了添加La后合金中Al-Ti相粒子的尺寸明显降低,当La添加量增加至1.5%时,细化剂Al-5Ti-xLa中Al-Ti相粒子尺寸最小,且显微硬度也随La添加量增加而增加。说明La对细化剂Al-5Ti析出相有细化作用,细化剂Al-5Ti-1.5La中有大量的第二相颗粒,足以为Al-7Si提供α-Al的形核,并抑制其长大。

Al-7Si合金的细化过程最重要的问题是α-Al的成核问题,即细化机理的问题。晶粒细化是通过促进晶粒形核与抑制晶粒长大的共同作用实现的。然而细化剂能否起到细化的作用主要看它是否能满足以下四点要求:(1)含有稳定的异质固相形核颗粒,不易溶解;(2)异质形核颗粒与固相α-Al间存在良好的晶格匹配关系;(3)异质形核颗粒应非常小并在铝硅溶体中呈高度弥散分布;(4)加入的细化剂不能带入任何影响铝合金性能的有害元素或杂质。

图4　Al-7Si合金金相显微组织

铸造Al-7Si合金中有α-Al、共晶硅及初晶硅,其中α-Al呈树枝状,共晶硅呈片状,初晶硅呈多角形和板状。细化剂Al-5Ti-xLa加入铝硅中会弥散着第二相颗粒Al3Ti与Al4La。Al3T与Al4La粒子熔点高(高达1 300 ℃),溶解度小,长期在铝硅熔体(750 ℃)中也不能熔解,因此细化剂Al-5Ti-xLa的加入提供了很多第二相颗粒,有利于形核[10]。

3　结　论

(1)稀土La对Al-5Ti有细化作用,在Al-5Ti中添加La后合金中Al3Ti相粒子的尺寸明显降低;

(2)当La添加量增加至1.5%时,细化剂Al-5Ti-xLa中Al3Ti和Al4La相粒子尺寸最小,并呈弥散分布;

(3)Al-5Ti-xLa对Al-7Si的细化效果明显高于Al-5Ti合金,并随着La质量分数增加细化效果更加显著。

[1]廖成伟, 李洋, 涂睿, 等. 高洁净度Al-5Ti-1B晶粒细化剂的制备与微结构特征.[J] 特种铸造及有色合金，2012,12(3): 203-205.

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[3]张作贵, 边秀房. Al-Ti-C系中TiC形成的热力学与动力学研究[J]. 金属学报, 2000, 36(10): 1025-1029.

[4]姜文辉, 韩行林. Al-Ti-C中间合金晶粒细化剂的合成及其细化晶粒作用[J]. 中国有色金属学报, 1998, 8(2): 268-271.

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[10]谭敦强. Al-Ti-C晶粒细化剂的制备及细化机理研究[D]. 中南工业大学, 2001.

(编辑李德根)

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

黑龙江省应用技术与研究开发计划项目 (GC13A104)

安勇良(1982-),男,吉林省吉林人,讲师,博士研究生,研究方向:轻合金材料的制备、设计、计算及纳米功能化,E-mail: ylanhust@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.04.004

TG292

2095-7262(2015)04-0366-05

A