动态合成Al-Ti-B细化剂的制备工艺和细化性能研究
Study on Preparation Technology and Refining Performance of Dynamically Synthesized Al-Ti-B Refiner
DOI: 10.12677/OJNS.2020.85051, PDF, HTML, XML, 下载: 664  浏览: 2,269  科研立项经费支持
作者: 李仁焕:南宁学院,广西 南宁
关键词: Al-Ti-B细化剂制备工艺细化性能Al-Ti-B Refiner Preparation Technology Refining Performance
摘要: Al-Ti-B-RE细化剂能够提升细化剂的综合性能,是目前最有研发价值和最有潜力的铝用晶粒细化剂之一。采用常规搅拌工艺存在比重偏析,影响晶粒细化效果及铝合金的整体性能。本研究首先通过中国知网和爱思唯尔学术平台分析Al-Ti-B细化剂的研究现状,并进一步分析混合熔融法、氟盐反应法、超声搅拌法、电磁振动法等制备工艺的优缺点,以及不同稀土、不同配比、以及细化剂中毒的内在机理。结果表明,可以采取超声搅拌法、电磁振动法等动态合成技术,并考虑微量元素在Al-Ti-B细化剂中的配比,以获取更小晶粒和更好力学性能的Al-Ti-B-RE细化剂。
Abstract: Al-Ti-B-RE refiner, as one of the most valuable and potential grain refiners for aluminum at present, can improve the comprehensive performance of refiners. Specific gravity segregation exists in conventional stirring process, which affects the grain refinement effect and the overall performance of aluminum alloy. In this study, the research status of Al-Ti-B refiner was firstly analyzed through CNKI and Elsevier academic platform. Then the advantages and disadvantages of preparation technologies such as the mixed melting method, the fluoride salt reaction method, the ultrasonic stirring method and the electromagnetic vibration method were further analyzed, as well as the internal mechanism of different rare earths, different proportions and refiner poisoning. The results show that the ultrasonic stirring method, the electromagnetic vibration method and other dynamically synthesis techniques can be adopted, and the ratio of trace elements in Al-Ti-B refiner can be considered to obtain a kind of Al-Ti-B-RE refiner with smaller grain size and better mechanical properties.
文章引用:李仁焕. 动态合成Al-Ti-B细化剂的制备工艺和细化性能研究[J]. 自然科学, 2020, 8(5): 418-423. https://doi.org/10.12677/OJNS.2020.85051

1. 引言

铝合金广泛应用于航空航天、国防、建筑、汽车等众多领域;随着铝合金应用领域的不断扩大,提高铝合金的整体性能迫在眉睫,改善合金组织结构、晶粒细化是提高性能的关键 [1]。Al-Ti-B细化剂广泛使用且效果相对较好,但对含Zr、Cr及Mn等元素的铝合金易造成晶粒组织不均匀,发生细化剂中毒 [2]。稀土元素具有化学活性高、熔点高、高温下易氧化的特点 [3],易与铝合金中的基体、杂质和气体生成稳定化合物。研发出新型Al-Ti-B-RE中间合金晶粒细化剂,改善甚至消除Al-Ti-B晶粒细化剂中严重的缺陷,从而显著提升细化剂的细化性能成为研究热点 [4] [5] [6]。但Al-Ti-B-RE中间合金中的第二相粒子的密度大于Al的密度,采用常规工艺进行搅拌,必然会造成严重比重偏析,影响晶粒细化效果及性能。因此,本文分析现有文献关于Al-Ti-B的研究现状,细化剂的制备工艺和各配比的影响机理,为开发新型晶粒细化剂和性能优良的铝合金提供理论研究基础。

2. Al-Ti-B细化剂研究现状

在中国知网平台以“Al-Ti-B”或“铝钛硼”为主题词,并且篇名/关键词/摘要中包含“细化剂”进行文献搜索,截至2020年7月31日有相关研究文献168篇。其中期刊论文129篇、硕博士学位论文28篇、会议论文11篇。1985年,陈本孝 [7] 通过试验确定了作为细化剂的稀土铝钛硼合金的简单有效的制备方法,认为利用坩埚法可以生产低成本的细化剂,稀土铝钛硼质量与所用原料及工艺有较大关系,稀土在合金中起还原剂作用,稀土铝钛硼合金的细化效果优于A1-Ti-B合金。2000年,山东工业大学的亓效刚 [8] 研究了Al-Ti-B和Al-5%Sr中间合金对轮毂铝合金的晶粒细化和变质作用,认为Al-Ti-B中间合金可有效地细化Al7%Si 0.35%Mg合金,加入0.06%Ti即可使合金获得良好的细化效果。2004年,华北铝业有限公司的蒋建军 [9] 提出一种新型Al-Ti-B-稀土(RE)晶粒细化剂。2005年,兰州理工大学的兰晔峰 [10] 研究了稀土对Al-Ti-B-RE中间合金细化性能的影响,认为稀土元素的加入对合金中第二相粒子的尺寸、分布及细化能力、细化剂的衰退延时性、重熔性能及细化效果都有重要影响。2015年,江苏大学的王正军 [11] 进一步研究Al-Ti-B-RE的细化性能。Al-Ti-B细化剂总体研究趋势如图1所示,可以看出,相关研究一直处于螺旋上升趋势。在爱思唯尔学术平台以“Al-Ti-B”进行检索,得到相关文献883篇,相对于知网平台检索的文献,国际上对于Al-Ti-B的相关研究呈上升趋势,而且热度逐年升高。

Figure 1. Research trends of the Al-Ti-B refiner

图1. Al-Ti-B细化剂研究趋势

进一步对中国知网检索的168篇文献进行聚类分析,图2显示各位学者针对Al-Ti-B细化剂在晶粒细化、细化剂、细化机理、细化效果、力学性能、微观组织等方面进行了广泛的研究,特别是围绕晶粒细化的效果、细化机理和力学性能等展开了多角度的研究。

Figure 2. Research hotspot of the Al-Ti-B refiner

图2. Al-Ti-B细化剂研究热点

3. Al-Ti-B细化剂的制备工艺及其细化机理

3.1. 混合熔融法

江苏大学的王正军 [11] 通过混合熔融法合成了一种新型的铝晶粒细化剂Al-Ti-B-RE中间合金,Al-Ti-B-RE中间合金的Al3Ti、TiB2和Ti2Al20RE等第二相颗粒可以均匀地分布在基质中,Al-5Ti-1B-1RE中间合金可以将商品纯铝细化到平均晶粒度小于150 μm的水平,加入0.2%的细化剂后,抗张强度 ω b 和伸长 δ 分别提高28.39兆帕和29.97%。

3.2. 氟盐反应法

Zhang L [12] 研究了氟化物与铝熔体反应后,在保温温度下,Al-5Ti-1B中间合金的组织演变及其对晶粒细化效率的影响,结果表明,在氟化物盐和Al熔体之间的反应期间,靠近氟化物盐/Al熔体界面的Al熔体中溶质B和Ti的浓度是不均匀的,在氟化物盐和铝熔体之间的反应期间形成的AlB2相在溶质Ti的存在下热力学并不稳定。在随后的保持温度期间,它通过溶质Ti和B在Al熔体中的扩散而转变为TiB2颗粒。

3.3. 超声搅拌法

Kotadia H R [13] 研究了超声搅拌对铝合金晶粒细化的影响,结果表明超声搅拌能产生更细化的晶粒,CP-Al和Al-10%Cu合金的晶粒密度分别增加了2倍和8倍,异相成核作用大大增强。与未精炼的基锭相比,在超声下测得的冷却曲线显示出类似的成核过冷减少,在超声熔体中已消除了熔体中观察到的明显的重新钙化。

3.4. 电磁振动法

Balasubramani N [14] 研究了低频振动、脉冲磁和电流脉冲技术对晶粒形成过程的比较,认为在外场施加期间产生的晶粒细化的主要机理是空化现象,有助于树枝状晶体的形核或破碎,从模具冷表面产生的壁晶体(电流脉冲、磁场和脉冲磁场)。等轴晶粒在外场下的起源还取决于铸造条件(铸件的体积和形状)和合金类型,而不是特定技术特有的机理。

4. Al-Ti-B对铝合金的细化性能及其影响机理

4.1. 不同稀土和Al-Ti-B中间合金对铝合金性能的影响

Ding W [15] 研究稀土Y在6063铝合金中的存在方式和影响机理,研究表明,Y和Al-Ti-B中间合金的添加对6063合金的晶粒细化有很好的作用,添加Y减小了Mg2Si的尺寸,有助于将β-AlFeSi转变为α-AlFeSi,形成AlSiY、AlFeSi和AlFeSiYMg等复合化合物,并减少Fe的杂质晶界的富相;通过添加Y和Al-Ti-B中间合金可以改善6063合金的力学性能和断裂形态,分别将抗拉强度和伸长率提高5%和75%,但硬度值没有明显变化。Li P T [16] 研究了微量C的添加对Al-Ti-B中间合金的组织和精炼性能的影响,添加微量的碳后,Al-5Ti-0.8B-0.2C中间合金中会形成TiB2和小的TiC组成的颗粒,制备的Al-5Ti-0.8B-0.2C中间合金的精炼性能比Al-Ti-B中间合金好得多,平均晶粒尺寸约为190 μm,而且精炼效率在60分钟内不会降低。Xiaoyan W [17] 研究了Al-5Nb-RE-B对A356铝合金晶粒细化的影响,Al-5Nb-RE-B中间合金由α-Al、Al3RE、Nb2Al20RE和NbB2组成,当加入1%细化剂时,A356合金的晶粒尺寸从800 μm减小至200 μm,且冷却速度的敏感性最低。

4.2. 不同Al-Ti-B配比对晶粒细化性能的影响

Xu X [18] 研究了不同Al-Ti-B配比对导电率和晶粒细化的影响,结果表明,由于在制备的中间合金中Al-5Ti-B中TiAl32DC具有高细化能力,以Al-5Ti-1B和Al-B中间合金为原料在720℃下制备的Al-Ti-B中间合金的晶粒细化效果远好于使用Al-10Ti制备的Al-Ti-B中间合金和Al-B中间合金。Zhao Q [19] 重点研究了利用燃烧合成与空气热压烧结相结合的方法,分析不同Al含量对力学性能和耐冲击性的影响,10%~20%的含量具有较差的加工性能,而50%的Al含量时则具有较高的机械性能和抗冲击性。

4.3. 不同元素对Al-Ti-B细化剂的中毒机理

Huang J [20] 研究了Sc对Al-5Ti-1B晶粒细化剂的中毒作用,发现Al-5Ti-1B的晶粒细化效果在微量Sc含量的铝合金中会减弱。肖政兵 [21] 研究了Al-Ti-B晶粒细化剂的Zr中毒机理,Al3Zr与Al3Ti结合形成聚积体,抑制了Al3Ti异质形核、细化晶粒的作用,出现晶粒细化剂的Zr中毒现象。

5. 结语

本文基于中国知网和爱思唯尔学术平台,研究了Al-Ti-B细化剂的研究趋势和现状,国内外学者围绕晶粒细化的效果、细化机理和力学性能等方面进行了深入的研究,采取混合熔融法、氟盐反应法、超声搅拌法、电磁振动法等动态合成制备工艺,并对比不同稀土、不同配比、以及细化剂中毒的影响,为开发新型细化剂提供了有益的思路。

基金项目

2019年度校级科研项目:动态合成新型Al-Ti-B-RE中间合金细化剂的研究(2019XJ36)。

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