宋 良， 尹冬松， 張政存， 肖 強

(黑龍江科技大學 材料科學與工程學院， 哈爾濱150022)

0 引 言

現(xiàn)今，7075鋁合金在飛機外殼、建材、汽車發(fā)動機等方面應用廣泛，且產量逐年增長。為提高鋁合金的力學性能，通常加入細化劑來提高其強韌性[1-2]。Al-Ti-B因其制備工藝簡單、性能穩(wěn)定、成本較低等良好的特點而成為鋁生產行業(yè)使用最廣泛的細化劑。然而，在實際生產中發(fā)現(xiàn)，Al-Ti-B合金中TiB2粒子的聚集沉淀或Al-Ti-B中TiAl3粒子過于粗大，嚴重影響其對7075鋁合金的細化效果。有研究表明，在Al-Ti-B中間合金基礎上加入了稀土元素Ce可以起到變質和精煉的作用，同時還可以降低鋁熔體表面張力，從而改善鋁液對硼化物的潤濕性，在一定程度上減少了TiB2的沉淀，可減緩Al-Ti-B-RE細化劑的衰退時間[3]。筆者采用不同質量分數(shù)Mg-Ce合金的Al-Ti-B中間合金細化劑，在其基礎上復合機械攪拌的作用，進一步改善TiAl3的尺寸，從而探尋提高Al-Ti-B細化劑對7075鋁合金細化性能的方法。

1 實驗方法與設備

制備Al-Ti-B-X(Mg-Ce)原材料分別為工業(yè)純鋁錠、鈦粉、鋁箔紙、稀土鎂合金(Mg-30Ce)、鋅粒和氟硼酸鉀。將預熱250 ℃的工業(yè)鋁塊放入井式坩堝電阻爐加熱至鋁錠完全熔化后，用扒渣勺進行扒渣處理，之后放入氯化鉀覆蓋劑；升溫到720 ℃時，將用鋁箔紙包裹好的鈦粉以及氟硼酸鉀按順序添加到坩堝中；除氣扒渣，添加除氣劑除氣，之后使用機械攪拌機攪拌20 s，最后扒渣，將Al-Ti-B-(Mg-Ce)熔體澆注入金屬模具中?？紤]材料的綜合力學性能，分別制備了四組7075鋁合金試樣，4組鋁合金試樣除細化劑種類不同，其余熔煉條件及原材料配比完全相同。4組鋁合金試樣添加細化劑的質量分數(shù)分別為1%的Al-Ti-B、1%的Al-Ti-B-1(Mg-Ce)、1% Al-Ti-B-2(Mg-Ce)和1%的Al-Ti-B-3(Mg-Ce)，分別標記為試樣A、B、C、和D。用坩堝電阻爐熔煉配置好的原料，采用金屬型澆注鋁合金試樣。將金屬型在600～700 ℃下預熱，去除金屬型表面附著的水分。將坩堝電阻爐溫度調至750 ℃加熱升溫，等待溫度上升至750 ℃加入鋁塊進行熔煉，熔煉1 h待鋁塊完全熔煉成鋁水后，加入鋅粒和鎂塊，熔煉時間為5 min。之后加入銅塊，熔煉時間為5 min。分別加入不同步質量分數(shù)的細化劑，熔煉時間為5 min。加入爐料總質量0.5%的六氯乙烷精煉劑，使用石墨棒進行人工攪拌，攪拌后進行扒渣，扒渣后夾出坩堝進行澆注。使用蔡司顯微鏡分析顯微組織，利用掃描電鏡和能譜儀進行微觀組織和微區(qū)分析并進行XRD物相分析，分析其細化行為。

2 結果與分析

2.1 金相顯微組織

2.1.1 Mg-Ce合金對Al-Ti-B細化劑微觀組織的影響

圖1為不同Mg-Ce添加量Al-Ti-B細化劑的顯微組織。

圖1 不同Mg-Ce添加量Al-Ti-B細化劑的顯微組織Fig. 1 Microstructure of different Mg-Ce addition of Al-Ti-B refiner

由圖1a可以明顯看出,Al-Ti-B細化劑顆粒尺寸較大，且分布不均勻，出現(xiàn)偏聚現(xiàn)象。添加1% Mg-Ce合金的Al-Ti-B合金的微觀組織如圖1b所示，第二相粒子數(shù)量多且彌散分布;當Mg-Ce添加量為2%時，合金基體上的第二相尺寸明顯增加，局部區(qū)域呈團聚趨勢，如圖1c所示;當Mg-Ce添加量為3%時，合金基體上的第二相粒子尺寸進一步增大，數(shù)量也有所減少，如圖1d所示。Al-Ti-B合金基體上的第二相形貌受Mg-Ce合金的添加量的影響也較為顯著，當Mg-Ce合金增加到1%時，第二相以細小均勻分布的粒狀為主。當Mg-Ce合金添加量從1%增加到2%和3%時，第二相呈塊狀和橢圓狀,這是因為Mg-Ce主要起到作用的是稀土Ce，Ce原子會均勻分散在鋁合金熔液中，阻礙了第二相粒子的偏聚。由于稀土的化學性質很活潑，與熔點較低的第二相粒子反應生成稀土相，使得第二相粒子由熔點低的第二相向熔點高的第二相轉化，使得第二相質點變的更加穩(wěn)定[4]。當添加量增加到2%以上時，合金中的第二相尺寸增大，原因是Mg-Ce合金易與鋁鈦形成鋁鈦稀土復合相，使得異質晶核TiAl3的數(shù)量減少，尺寸變大，破壞了中間合金細化劑的質量，造成細化劑的細化性能下降[5-6]。

該實驗條件下，添加Mg-Ce合金能改變Al-Ti-B中間合金第二相粒子的尺寸和分布，當Mg-Ce合金添加量為1%時，第二相顆粒尺寸最小且分布均勻。

2.1.2 機械攪拌對Al-Ti-B細化劑顯微組織的影響

采用機械攪拌作用對添加1% Mg-Ce的Al-Ti-B細化劑熔體進行進一步處理，其顯微組織如圖2所示。

圖2 機械攪拌1% Mg-Ce的Al-Ti-B組織Fig. 2 Microstructure of 1% Mg-Ce addition of Al-Ti-B refiner

由圖1b和圖2可見，相對于未攪拌的中間合金，經(jīng)過攪拌的Al-Ti-B細化劑第二相粒子更均勻彌散分布于鋁基體上。這主要和機械攪拌的復合作用有關，凝固析出相的形貌是短條狀和粒狀，并且相對于未機械攪拌的晶粒尺寸有所變小。機械攪拌對Al-Ti-B合金不僅起到細化TiAl3的作用，還能抑制TiB2粒子的長大，減弱粒子聚集成團的趨勢，因而可以從根本上提高TiAl3和TiB2粒子的分散性[7]。

2.2 細化行為分析

2.2.1 細化劑相組成

為研究細化劑中不同相的成分，對質量分數(shù)為1% Mg-Ce的Al-Ti-B細化劑進行組織成分分析，合金析出相(十字星位置)和基體的SEM圖像如圖3所示。

圖3 1%Mg-Ce的Al-Ti-B微觀組織SEM能譜成分點Fig. 3 Microstructure and SEM point analysis of 1% Mg-Ce for Al-Ti-B refiner

由圖3可見，白色塊狀的第二相呈顆粒彌散分布，其主要由元素Al、Ti、Ce構成，該第二相為TiAl3。稀土Ce不以游離態(tài)的方式存在于Al基體中，而是以固溶形式存在于TiAl3中，這是因為Mg-Ce合金中Ce進一步改變了鋁熔液中第二相粒子與α-Al基體的潤濕角以及α-Al熔體的表面張力所導致。

為進一步確定Mg-Ce合金添加到Al-Ti-B細化劑中對第二相粒子產生的影響，對質量分數(shù)為1% Mg-Ce的Al-Ti-B細化劑進行XRD衍射分析，圖4為添加質量分數(shù)1% Mg-Ce的Al-Ti-B細化劑的XRD圖譜。由圖4可知，1% Mg-Ce細化劑的衍射圖在XRD衍射圖譜中主要為TiAl3相與α-Al相，沒有發(fā)現(xiàn)稀土Ce的衍射峰，所以稀土Ce不以游離態(tài)的形式存在于中間合金中，而且沒有發(fā)現(xiàn)Ti2Al20Ce相，可能稀土Ce以其他的Ce化合物的形式存在，由于Ce含量極低，因此未在XRD衍射峰中標出。由此，可以判斷TiAl3是Al-Ti-B細化劑起到異質形核的作用的關鍵，熔煉過程中消除其他粒子聚集沉淀的能力，從而延長了細化劑的細化時間，起到了提高細化劑細化性能的作用[8-10]。

圖4 添加1% Mg-Ce的Al-Ti-B細化劑的XRD圖譜Fig. 4 XRD analysis of 1% Mg-Ce addition of Al-Ti-B refiner

2.2.2 細化機理

為研究細化劑對7075鋁合金的細化效果，制備了3個7075鋁合金鑄坯試樣，其添加細化劑分別為0、1% Al-Ti-B-1(Mg-Ce)和機械攪拌1% Al-Ti-B-1(Mg-Ce)，3個7075鋁合金鑄坯試樣金相照片如圖5所示。

由圖5a可以看出，7075鑄坯原始晶粒尺寸為200～300 μm。由圖5b可以看出，質量分數(shù)為1%的Al-Ti-B-1(Mg-Ce)細化劑的添加明顯使7075鑄坯的晶粒明顯細化，晶粒尺寸為100～150 μm。這是因為Al-Ti-B-1(Mg-Ce)細化劑使晶粒形核時抑制其長大，形核數(shù)增加，從而使得晶粒更加的細小，細化了7075鑄坯的組織。由圖5c可以看出，向7075鑄坯中添加機械攪拌處理質量分數(shù)為1%的Al-Ti-B-1(Mg-Ce)細化劑后，鑄坯晶粒尺寸為50～80 μm，說明復合機械攪拌作用的細化劑比未進行復合攪拌作用的細化劑細化效果更強。這是由于機械攪拌使細化劑的第二相組織均勻分布，所以導致將其添加到鋁合金后獲得更多的異質形核質點，從而進一步增強了其細化能力。

3 結 論

(1)該實驗條件下，向Al-Ti-B中添加質量分數(shù)為1%的Mg-30Ce后，Al-Ti-B細化劑中的第二相TiAl3尺寸顯著降低，分布彌散均勻。但是隨著Mg-30Ce添加量的增加，析出第二相相尺寸反而增大。

(2)向7075鋁合金中添加Al-Ti-B-1(Mg-Ce)細化劑可明顯細化7075鋁合金的晶粒尺寸，經(jīng)過機械攪拌復合處理的Al-Ti-B-1(Mg-Ce)細化劑的第二相粒子更細小，分布更均勻彌散，對7075鋁合金的細化能力更強。