王順成， 鄭開宏， 戚文軍， 石路， 寧長維

（1.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院（廣州有色金屬研究院）金屬加工與成型技術(shù)研究所，廣州510650；2.東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，沈陽110004；3.佛山市南海三湘鋁業(yè)材料有限公司，廣東 佛山528225）

0 前 言

晶粒細(xì)化可改善鋁合金材料的組織均勻性和塑性變形能力，提高鋁材產(chǎn)品的力學(xué)性能.目前鋁加工行業(yè)最常用的晶粒細(xì)化劑是Al-Ti-B，據(jù)報道，全世界75%以上的鋁材產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中添加的是Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑[1-2].隨著近年來我國高端鋁材產(chǎn)品的發(fā)展，對Al-Ti-B的冶金質(zhì)量和晶粒細(xì)化能力也要求越來越高[3].為了提高Al-Ti-B的冶金質(zhì)量和晶粒細(xì)化能力，科研人員先后研究了超聲振動[4]、快速凝固[5]、劇塑性變形[6]以及 C、Er、Re 等元素[7-9]對 Al-Ti-B的顯微組織和晶粒細(xì)化能力的影響.

連續(xù)鑄擠是集金屬鑄造和擠壓為一體的短流程成形技術(shù)，采用該技術(shù)制備Al-Ti-B具有工藝流程短、高效節(jié)能等顯著優(yōu)點[10].為了提高連續(xù)鑄擠Al-Ti-B的冶金質(zhì)量和晶粒細(xì)化能力，采用自主設(shè)計的電磁攪拌中間包[11]對Al-5Ti-1B熔體進(jìn)行電磁攪拌，研究了電磁攪拌對Al-5Ti-1B的顯微組織與晶粒細(xì)化能力的影響.

1 實驗材料與方法

實驗材料為工業(yè)純鋁、KBF4和K2TiF6粉末.實驗設(shè)備為連續(xù)鑄擠機、電磁攪拌中間包和中頻感應(yīng)電爐.連續(xù)鑄擠機的鑄擠輪直徑為350 mm，轉(zhuǎn)速為20 r/min.電磁攪拌中間包的輸入電流為150 A，頻率為10 Hz.電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al-5Ti-1B的工藝流程如圖1所示.

圖1 電磁攪拌連續(xù)鑄擠工藝流程示意圖

將工業(yè)純鋁在中頻感應(yīng)電爐內(nèi)于850℃加熱熔化，然后加入KBF4和K2TiF6混合粉末進(jìn)行反應(yīng)，除氣除渣后，將熔體轉(zhuǎn)移到中間包內(nèi)調(diào)溫至780℃并保溫，同時進(jìn)行電磁攪拌，最后連續(xù)鑄擠成直徑9.5 mm的Al-5Ti-1B絲.為了進(jìn)行比較，對未經(jīng)電磁攪拌的Al-5Ti-1B熔體在相同條件下也連續(xù)鑄擠成Al-5Ti-1B絲.

對Al-5Ti-1B絲進(jìn)行取樣，在D/MAX-RC型X射線衍射儀上進(jìn)行物相分析，在JY-ULTIMA2型等離子體發(fā)射光譜儀進(jìn)行成分分析.試樣經(jīng)粗磨、細(xì)磨、拋光和腐蝕后，在NANO430型場發(fā)射掃描電鏡上進(jìn)行顯微組織觀察，測量TiB2粒子和TiAl3相的平均尺寸.

細(xì)化實驗設(shè)備為石墨坩堝和7.5 kW井式電阻爐.將工業(yè)純鋁于720℃加熱熔化，除氣除渣后，添加0.2%的 Al-5Ti-1B，分別保溫 2 min、15 min、60 min和120 min后，澆注到環(huán)形鋼模內(nèi)，鋼模尺寸為外徑75 mm、壁厚5 mm、高25 mm，鑄造成高25 mm、直徑65 mm的鋁錠試樣，沿鋁錠試樣高度中間部位鋸開，經(jīng)粗磨、細(xì)磨、拋光和腐蝕后，觀察鋁錠的宏觀組織，采用截線法測量鋁晶粒的平均尺寸.

2 結(jié)果與分析

2.1 Al-5Ti-1B的成分與物相

表1為Al-5Ti-1B的化學(xué)成分.從表1可見，經(jīng)過電磁攪拌的Al-5Ti-1B中Ti、B元素含量分別為5.08%和1.02%，略高于未電磁攪拌的Al-5Ti-1B，這主要是在中間包對Al-5Ti-1B熔體施加了電磁攪拌，使熔體形成前后和上下的往返運動，阻止了TiB2粒子的團(tuán)聚和沉淀，提高了Ti、B元素的含量.而未電磁攪拌情況下，Al-5Ti-1B熔體在中間包內(nèi)靜止過程中，TiB2粒子在重力作用下將發(fā)生團(tuán)聚和沉淀，特別是團(tuán)聚塊的形成將加速TiB2粒子的沉淀，導(dǎo)致Ti、B元素含量的下降.

為了避免添加Al-5Ti-1B對鋁熔體造成二次污染而影響鋁材的冶金質(zhì)量和力學(xué)性能，在生產(chǎn)高端鋁材產(chǎn)品時，對Al-5Ti-1B的純凈度都有明確要求，一般要求Fe、Si、V雜質(zhì)元素的含量越低越好.由于本文采用了較高純度的KBF4和K2TiF6作為原材料以及鈦合金的熔煉工具和加強對熔體的精煉除雜等措施，Al-5Ti-1B中Fe、Si、V雜質(zhì)元素的含量均較低，如表1所示.

表1 Al-5Ti-1B的化學(xué)成分/wt%

圖2為電磁攪拌Al-5Ti-1B的X射線衍射譜圖.從圖2可見，Al-5Ti-1B由 α-Al基體、TiB2粒子和TiAl3相組成.對未電磁攪拌Al-5Ti-1B進(jìn)行X射線衍射分析，結(jié)果表明Al-5Ti-1B也是由α-Al基體、TiB2粒子和TiAl3相組成.上述結(jié)果表明在中間包施加電磁攪拌不會改變Al-5Ti-1B的物相組成，這主要是KBF4和K2TiF6與鋁液的化學(xué)反應(yīng)是在中頻感應(yīng)電爐內(nèi)完成的.

圖2 Al-5Ti-1B的X射線衍射譜圖

2.2 Al-5Ti-1B的顯微組織

TiB2粒子和TiAl3相的尺寸大小、分布狀態(tài)對Al-5Ti-1B的晶粒細(xì)化能力和最終鋁材產(chǎn)品的表面質(zhì)量都有影響.TiB2粒子分布越均勻，TiAl3相尺寸越細(xì)小，Al-5Ti-1B的晶粒細(xì)化能力也越強.如果TiB2粒子偏聚成團(tuán)，當(dāng)Al-5Ti-1B添加到鋁合金熔體后，將會減少參與異質(zhì)形核的TiB2粒子數(shù)量，降低Al-5Ti-1B的晶粒細(xì)化能力，同時還會加速TiB2粒子在鋁熔體中的沉降，加速晶粒細(xì)化效果的衰退.另外，如果TiB2粒子形成粗大的團(tuán)聚塊還會導(dǎo)致精密鋁材產(chǎn)品表面產(chǎn)生砂眼、針孔等缺陷，影響鋁材的表面質(zhì)量.

圖3和圖4分別為電磁攪拌和未電磁攪拌Al-5Ti-1B的顯微組織.從圖3可見，電磁攪拌Al-5Ti-1B的TiAl3相形態(tài)為方塊狀，平均尺寸為15.7μm，如圖3（a）所示.TiB2粒子均勻分布于 α-Al基體，粒子形態(tài)為顆粒狀，平均尺寸為0.74μm，如圖3（b）所示.而未電磁攪拌Al-5Ti-1B的TiB2粒子的團(tuán)聚現(xiàn)象較為嚴(yán)重，局部區(qū)域存在粗大的TiB2粒子團(tuán)聚塊，如圖4所示.通過比較可發(fā)現(xiàn)，電磁攪拌可顯著改善Al-5Ti-1B中TiB2粒子的分布均勻性.

圖3 電磁攪拌Al-5Ti-1B的顯微組織

圖4 未電磁攪拌Al-5Ti-1B的顯微組織

2.3 Al-5Ti-1B的晶粒細(xì)化能力

圖5 為未添加Al-5Ti-1B時純鋁的鑄態(tài)組織.從圖5可見，純鋁晶粒十分粗大且分布不均勻，試樣中心為粗大的等軸晶，表層為細(xì)小的柱狀晶，其余為粗大的柱狀晶，平均晶粒尺寸達(dá)到2 800μm.

圖5 未添加Al-5Ti-1B時純鋁的鑄態(tài)組織

圖6 和圖7分別為添加0.2%的電磁攪拌和未電磁攪拌Al-5Ti-1B后純鋁的鑄態(tài)組織.添加Al-5Ti-1B后，純鋁的晶粒都得到明顯細(xì)化，其中，添加電磁攪拌的Al-5Ti-1B，保溫2 min后純鋁晶粒被細(xì)化至68 μm，如圖 6（a）所示；保溫至 120 min，晶粒未見明顯長大，如圖 6（d）所示.而添加未電磁攪拌的 Al-5Ti-1B，保溫2 min后純鋁晶粒僅被細(xì)化至121μm，如圖7（a）所示；當(dāng)保溫時間延長到120 min時，純鋁晶粒平均尺寸為186μm，晶粒開始出現(xiàn)明顯長大，如圖 7（d）所示.

通過比較可發(fā)現(xiàn)，電磁攪拌Al-5Ti-1B具有更強的晶粒細(xì)化能力，這是由于電磁攪拌Al-5Ti-1B的TiB2粒子分布更均勻，當(dāng)Al-5Ti-1B加入鋁熔體后，TiB2粒子能夠更快、更均勻分散進(jìn)入鋁熔體，參與異質(zhì)形核的TiB2粒子數(shù)量更多，因而Al-5Ti-1B的晶粒細(xì)化能力更強.另外，TiB2粒子分布均勻能夠延緩TiB2粒子在鋁熔體中的沉降，從而提高Al-5Ti-1B的晶粒細(xì)化抗衰退能力.

圖6 添加0.2%電磁攪拌Al-5Ti-1B后不同保溫時間純鋁的鑄態(tài)組織

圖7 添加0.2%未電磁攪拌Al-5Ti-1B后不同保溫時間純鋁的鑄態(tài)組織

3 討 論

在Al-5Ti-1B制備過程中，KBF4和K2TiF6粉末與鋁液的反應(yīng)如下[12]：

KBF4和K2TiF6與鋁液的反應(yīng)界面如圖8所示，反應(yīng)生成大量的TiB2粒子，由于TiB2粒子為高密度化合物（4.52 g/cm3），在重力作用下容易沉淀，特別是大量的TiB2粒子在熔體中易形成團(tuán)聚，而團(tuán)聚塊的形成又將加速TiB2粒子的沉淀.由于連續(xù)鑄擠前Al-5Ti-1B熔體在中間包內(nèi)需要經(jīng)歷一個較長的調(diào)溫和保溫時間，為了防止TiB2粒子在中間包內(nèi)發(fā)生團(tuán)聚和沉淀，本文在中間包底部安裝電磁線圈，電磁線圈產(chǎn)生磁場作用于Al-5Ti-1B熔體中產(chǎn)生洛倫茲力，洛倫茲力驅(qū)動中間包內(nèi)熔體做前后和上下的往返運動[11]，從而阻止TiB2粒子的發(fā)生團(tuán)聚和沉降，使TiB2粒子均勻分散于熔體中.

圖8 KBF4和K 2TiF6與鋁液的反應(yīng)界面示意圖

經(jīng)電磁攪拌后的Al-5Ti-1B熔體再定量澆入鑄擠機中，如圖9所示，在鑄擠輪與鑄擠靴形成的型腔內(nèi)，熔體首先在鑄擠輪和鑄擠靴表面凝固形核，然后逐漸冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍虘B(tài)漿料，在鑄擠輪的旋轉(zhuǎn)作用下，半固態(tài)漿料受到強烈的剪切攪拌作用，最后凝固合金再經(jīng)過90°轉(zhuǎn)角后被擠出?？仔纬芍睆?.5 mm的Al-5Ti-1B絲.連續(xù)的凝固形核、半固態(tài)攪拌[13]和劇烈塑性變形[14]最終使TiAl3相和TiB2粒子得到破碎細(xì)化，TiB2粒子更加均勻分布于α-Al基體上.

圖9 Al-5Ti-1B連續(xù)鑄擠過程示意圖

根據(jù)Al-5Ti-1B對鋁晶粒的細(xì)化機理[15]，當(dāng)Al-5Ti-1B添加到鋁熔體后，TiAl3相由于熔點低而逐漸熔解并釋放出Ti原子，TiB2粒子由于熔點高（2 980℃）而保留在鋁熔體中.由于Ti原子與TiB2粒子之間存在濃度梯度，Ti原子會逐漸在TiB2粒子表面上偏聚形成TiAl3層.在鋁熔體凝固結(jié)晶過程中，TiB2粒子表面的TiAl3與鋁熔體發(fā)生包晶反應(yīng)形成α-Al晶粒，即TiB2粒子在鋁晶粒細(xì)化過程中充當(dāng)了異質(zhì)形核核心作用.由于電磁攪拌Al-5Ti-1B的TiB2粒子分布更加均勻，當(dāng)Al-5Ti-1B加入鋁熔體后，TiB2粒子能夠更快、更均勻的分散進(jìn)入鋁熔體中，即更多的TiB2粒子參與異質(zhì)形核起到晶粒細(xì)化作用，因此，電磁攪拌Al-5Ti-1B的晶粒細(xì)化能力更強.另外，TiB2粒子均勻分散能夠降低TiB2粒子在鋁熔體中的沉降速度，因而電磁攪拌Al-5Ti-1B的晶粒細(xì)化抗衰減能力也更強.

4 結(jié) 論

（1）電磁攪拌能夠阻止TiB2粒子的團(tuán)聚和沉淀，提高Al-5Ti-1B的Ti、B元素含量和TiB2粒子分布均勻性及晶粒細(xì)化能力.

（2）電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al-5Ti-1B的Ti、B元素含量分別為5.08%和1.02%，TiB2粒子平均尺寸為0.74μm，TiAl3相平均尺寸為15.7μm.

（3）添加0.2%的電磁攪拌Al-5Ti-1B后保溫2 min，可使純鋁晶粒細(xì)化至68μm，保溫至120 min，晶粒未見長大.

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