Ti元素對Al—Cu—Mn合金凝固組織的影響

【摘 要】 針對Al-Cu-Mn合金鑄造性能較差，強度優勢不能充分發揮的問題，本文通過試驗方式分析Ti元素對該合金凝固組織的影響，從而可以得出加入0.3%Ti可以使Al-Cu-Mn合金晶粒細化，相界中共晶相的數量減少，為Al-Cu-Mn合金在生產應用過程中提供一些參考數據。

【關鍵詞】 Al-Cu-Mn合金 凝固組織 Ti

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2015.12.013

1 前言

近些年來，隨著現代工業及鑄造新技術的發展，Al-Cu-Mn基合金需求量越來越大。因此，提高Al-Cu-Mn基合金的綜合力學性能成為非常重要而又現實的問題。一般來講，細小而均勻的組織能夠使材料在受力時有較好的協調變形能力，使材料獲得很好的綜合力學性能。

此外，Al-Cu-Mn基合金雖然具有良好的綜合力學性能，但由于其結晶溫度范圍寬，容易產生熱裂和縮松等現象，致使鑄造性能較差，強度優勢不能充分發揮，難于在生產中得到廣泛應用。而金屬材料的鑄造性能與其共晶相的分布和數量關系密切，本文以Al-Cu-Mn合金為研究對象，從金屬凝固組織的細化和共晶相的數量和分布角度分析，考察Ti元素對Al-Cu-Mn合金的影響。

2 Ti元素對Al-Cu-Mn合金細化效果的影響

2.1 Ti元素對Al-Cu-Mn合金宏觀組織的影響

將不加Ti的Al-Cu-Mn合金與加入0.3%Ti的Al-Cu-Mn合金采用相同的鑄造工藝進行澆注，待試樣凝固冷卻后，將試樣經切割、研磨、拋光并用5.0%HF溶液進行侵蝕，對宏觀組織進行觀察分析，其試驗結果如下：

圖1為不加Ti及加0.3%Ti的Al-Cu-Mn合金宏觀組織。其中，圖1（a）為不加鈦的Al-Cu-Mn合金宏觀組織，圖1（b）為含鈦量為0.3%的Al-Cu-Mn合金宏觀組織。

從圖中可以看出，圖1（a）中晶粒粗大，鑄錠整個剖面上晶粒的大小分布極為不均勻。而在圖1（b）中的宏觀組織明顯得到細化，晶粒密實、尺寸細小且分布均勻，且在整個鑄錠剖面上幾乎均為等軸晶。

表1為不加Ti及加0.3%Ti的Al-Cu-Mn合金的晶粒數，從表中可以看出，未加Ti的合金晶粒數僅為0.71mm-2，而加入0.3%Ti的合金晶粒數為1.55mm-2，比未加Ti的合金晶粒數提高了118.30%。這說明加入0.3%Ti可細化Al-Cu-Mn合金的晶粒。

2.2 機理分析

鈦是第四周期第四族中的過渡元素，其化學活潑性極高，在鋁中一部分與鋁以固溶體形式存在，一部分以TiAl3化合物形式存在。TiAl3與鋁的晶格形式相似，TiAl3具有四面體晶格結構，它與面心立方晶格的α相之間有下述的晶面對應：（001）Al∥（001）TiAl3，[001]Al∥[001]TiAl3，（211）Al∥（001）TiAl3，兩者的晶格常數也相近（Δr/r≈6%），且TiAl3的熔點高，能在基體中穩定存在[1]。故TiAl3可作為α相的結晶核心，從而細化晶粒。

另外，由Al-Ti二元相圖可知，在665℃發生如下包晶反應：L（液）+Ti3Al→α（Al）[2]，但相圖是在接近平衡冷卻時測得的，而在實際生產中，合金均處于非平衡冷卻條件，冷卻速度較快，因此，固溶體結晶成分不均勻，造成晶內偏析（枝晶偏析）；包晶反應擴散困難，冷卻速度達到一定程度，甚至包晶轉變將被抑制，留下的液體在低于包晶反應溫度后，將直接析出固相，于是未轉變的固相就被保留在后析出的固相之中，即在共晶相的基體上有先包晶的樹枝狀初晶，兩相依次形成。這是細化鑄態晶粒的主要機制。

研究工作表明[3]，在金屬溶液中起非均質晶核作用的細化劑一般具備3個條件：一是細化劑或其與熔體的反應產物與被細化相具有晶面共格性，二者的點陣錯配度δ[≤]5%，在相應界面上的原子排列方式相似且原子間距相近或互成比例；二是細化劑或其共熔體的產物熔點高、穩定性好，在金屬液中分布均勻且不易被污染；三是細化劑或其共熔體的產物構成先析出相，并最好能與金屬溶體發生包晶反應生成先析出相。通過上述分析可知Ti和Al熔體所形成的化合物TiAl3均滿足這三個條件，這就保證了鈦的化合物可以成為良好的非均質晶核，從而可以細化合金的凝固組織。

3 Ti元素對Al-Cu-Mn合金共晶相數量的影響

3.1 Ti元素對Al-Cu-Mn合金顯微組織的影響

將不加Ti的Al-Cu-Mn合金與加入0.3%Ti的Al-Cu-Mn合金采用相同的鑄造工藝進行澆注，待試樣凝固冷卻后，制備金相試樣，對微觀組織進行觀察分析，其試驗結果如下：

圖2為不加Ti及加0.3%Ti的Al-Cu-Mn合金微觀組織。其中，圖2（a）為不加鈦的Al-Cu-Mn合金宏觀組織，圖2（b）為含鈦量分0.3%的Al-Cu-Mn合金宏觀組織。從圖中可以看出，圖2（a）金相照片中分布著深色的共晶相數量較多，且呈連續的網狀分布；圖2（b）可以看到共晶相的數量減少，且由連續的網狀變成斷網狀或短桿狀分布。

表2為利用定量分析法測出的不加Ti及加0.3%Ti的Al-Cu-Mn合金共晶相體積分數，從表中可以看出，未加Ti的合金共晶相體積分數為7.8310%，而加入0.3%Ti的合金共晶相體積分數為7.5569%，比未經過處理的分別減少3.63%。由此可見，加入Ti元素可以減少相界處的共晶相，但效果不是十分顯著。

表2 不加Ti及加0.3%Ti的Al-Cu-Mn合金的共晶相體積分數

3.2 Ti元素對Al-Cu-Mn合金基體顯微硬度的影響

表3為不加Ti及加0.3%Ti的Al-Cu-Mn合金的顯微硬度，從表中可以看出，未加Ti的合金基體顯微硬度為25.50，加入0.3%Ti的合金基體顯微硬度為32.50，比未加變質劑的合金基體顯微硬度提高了27.45%。

由此，可推測加入Ti后相界處一部分共晶相溶入基體中，使基體的顯微硬度升高，從而減少了相界處低熔點共晶相的含量，改善了鑄造性能，但由于硬度增加量不大，效果不是十分顯著。

3 結論

（1）加入0.3%Ti變質劑對Al-Cu-Mn合金有明顯的細化作用，可以提高該合金的力學性能。

（2）經過0.3%Ti變質后，Al-Cu-Mn合金晶界處共晶相數量有所減少，可以改善該合金的鑄造性能，但效果不是十分顯著。

參考文獻

[1]魏樂林，孫宇寧.鈦對鋁銅合金鑄件力學性能的影響[J].特種鑄造及有色合金1999，（5）：36-38.

[2]于桂富.Ti，B復合細化對高溫鑄造鋁合金的作用[J].鑄造.1995，（1）：30-33.

[3]B.H.邦達列夫，B. H.那帕爾科夫，B.H.塔拉雷什金.變形鋁合金的細化處理[M].王永新，張發明，高革（譯）.北京：冶金工業出版社，1988：1-225.

作者簡介

李佳，工程師，畢業于遼寧工業大學材料學專業，研究生，在鐵嶺市特種設備監督檢驗所從事特種設備檢驗工作。

（責任編輯：張曉明）