桿狀A(yù)l-5Ti-1B中間合金的組織形貌及對(duì)鋁合金晶粒細(xì)化效果研究

路麗英，孫博晗，韓 穎，陳 雷

（1.東北輕合金有限責(zé)任公司，哈爾濱150060；2.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410083；3.航天海鷹（哈爾濱）鈦業(yè)有限公司，哈爾濱150028）

0 前言

鋁鈦硼絲是鋁加工企業(yè)廣泛使用的鋁及鋁合金的高效晶粒細(xì)化劑，可顯著改善鋁及鋁合金的加工性能，提高鋁材的質(zhì)量，全世界約有75%的鋁加工材和鑄造鋁產(chǎn)品在鑄造過(guò)程中需要添加鋁鈦硼合金晶粒細(xì)化劑［1-3］。目前，從英國(guó)LSM公司、美國(guó)KBM公司等，進(jìn)口的Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑的特點(diǎn)是細(xì)化效果好，Ti和B的利用率高，可減少細(xì)化劑用量；細(xì)化劑均勻分布，細(xì)化效果穩(wěn)定連續(xù)，可實(shí)現(xiàn)細(xì)化處理的自動(dòng)化，可降低TiB2粒子的聚集沉淀傾向等，已廣泛為工業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)所采用。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的Al-Ti-B中間合金（絲）細(xì)化劑，同進(jìn)口產(chǎn)品相比，具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，但由于生產(chǎn)條件和技術(shù)水平的限制，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，主要體現(xiàn)在B含量低，純凈度差等，從而影響晶粒細(xì)化劑對(duì)鋁合金細(xì)化效果的穩(wěn)定性[4]。因此，本文結(jié)合現(xiàn)有的生產(chǎn)條件，采用模擬細(xì)化試驗(yàn)的方法，研究了不同生產(chǎn)廠提供的桿狀鋁鈦硼晶粒細(xì)化劑的微觀組織及其對(duì)鋁合金細(xì)化效果的影響，對(duì)鋁合金晶粒細(xì)化劑質(zhì)量進(jìn)行初步的比較與評(píng)價(jià)，為工業(yè)生產(chǎn)條件下優(yōu)選晶粒細(xì)化劑提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)選取了4個(gè)不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的Al-5Ti-1B桿狀晶粒細(xì)化劑，分別標(biāo)記為1#～4#。

對(duì)以上選用的4種鋁鈦硼中間合金分別取樣，試樣經(jīng)磨制、拋光、腐蝕后在蔡司顯微鏡下進(jìn)行組織觀察。晶粒細(xì)化效果實(shí)驗(yàn)采用石墨坩堝在井式熔化爐中進(jìn)行合金熔煉，澆鑄模具規(guī)格為φ70mm×65mm×25mm的環(huán)狀鋼模。將純鋁在720～730℃加熱熔化，精煉、扒渣后，分別加入1#～4#等量的Al-5Ti-1B中間合金，充分?jǐn)嚢韬?，靜置10 min，分別澆鑄到置于二氧化硅泡沫磚上的鋼模中。沿澆鑄的小圓鋁錠底部銑掉5mm，經(jīng)磨制、拋光并用混合酸溶液（70mLHCl+25 mLHNO3+5 mLHF）腐蝕后觀察試樣低倍組織和高倍晶粒組織。掃描組織觀察及能譜分析在蔡司掃描電鏡上進(jìn)行，對(duì)桿狀鋁鈦硼中間合金進(jìn)行了掃描組織觀察和相成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Al-5Ti-1B中間合金的化學(xué)成分

試驗(yàn)用不同廠家的Al-5Ti-1B中間合金的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用Al-5Ti-1B合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

化學(xué)成分分析結(jié)果表明，4種中間合金的主要成分Ti、B含量均存在不同程度的差異。4#中間合金的B元素含量最低，3#中間合金的B元素最高，而Ti元素含量4#最低，低于5%，3#中間合金的Ti含量最高達(dá)到5.5%。4種中間合金中雜質(zhì)元素Fe、Si含量也存在明顯差異，2#中間合金雜質(zhì)元素含量最高，1#中間合金雜質(zhì)含量最低。對(duì)照YS/T 447.1-2011中Al-5Ti-1B成分等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表2），僅1#中間合金其各元素成分滿足等級(jí)A級(jí)Al-5Ti-1B中間合金的成分要求。

表2 Al-5Ti-1B成分等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

2.2 Al-5Ti-1B中間合金的顯微組織

對(duì)上述四個(gè)不同廠家生產(chǎn)的鋁鈦硼中間合金進(jìn)行了金相組織觀察。觀察結(jié)果表明，1#～4#鋁鈦硼中間合金的組織形貌類似，均為較大尺寸相與細(xì)小尺寸相相間存在，只是大尺寸相與小尺寸的比例及均勻性存在差異。

為進(jìn)一步確定所觀察到的相的種類，選取成分符合A等級(jí)要求的1#中間合金進(jìn)行了掃描電鏡組織觀察和能譜分析，其結(jié)果見(jiàn)圖1和表3。

圖1 1#中間合金的掃描組織

表3 圖1（b）中對(duì)應(yīng)位置的能譜分析結(jié)果

從圖1中可以觀察到組織中存在大量尺寸不一形狀不一的相，選取典型位置進(jìn)行能譜分析。其結(jié)果顯示，其主要為TiAl3相，未觀察到含B相的存在。對(duì)圖1（a）顯示的區(qū)域進(jìn)行了成分的面掃描分析，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 圖1（a）中顯示位置的成分面掃描結(jié)果

從圖2可以看到，大塊片狀相為TiAl3相，小顆粒狀也為TiAl3相，而B(niǎo)元素呈均勻彌散狀態(tài)分布在基體中。

2.3 Al-5Ti-1B中間合金細(xì)化效果實(shí)驗(yàn)

圖3（a）為純鋁的鑄態(tài)組織，晶粒尺寸在1000μm以上，枝晶網(wǎng)明顯。圖3（b）～（e）為加入不同廠家生產(chǎn)的Al-5Ti-1B的鑄態(tài)組織，可以看到純鋁組織中加入細(xì)化劑后，晶粒細(xì)化效果明顯。

比較而言，純鋁中加入1#Al-5Ti-1B后，晶粒大小比較均勻，晶粒尺寸明顯小于2#、3#、4#Al-5Ti-1B細(xì)化的晶粒。而且，在純鋁中加入2#～4#Al-5Ti-1B后其組織中以尺寸偏大的晶粒居多，有少量極小的晶粒，晶粒尺寸均勻性較差（見(jiàn)圖3（c）～圖3（e））。

圖3 不同Al-5Ti-1B細(xì)化劑對(duì)純鋁鑄態(tài)組織的細(xì)化效果對(duì)比

研究表明[5]，Al-Ti-B絲的細(xì)化效果與其粒子的種類、數(shù)量、形態(tài)、大小以及分布有關(guān)。鋁及鋁合金晶粒細(xì)化機(jī)制十分復(fù)雜，人們提出了各種理論，主要包括：相圖理論、包晶反應(yīng)理論、碳化物和硼化物理論、亞穩(wěn)相理論、α-Al晶體增殖理論等等。雖然各種理論說(shuō)法不一，但都認(rèn)為Ti可細(xì)化鋁晶粒，而B(niǎo)的存在能顯著增強(qiáng)鋁鈦合金的細(xì)化晶粒效果，并可延長(zhǎng)衰減時(shí)間；同時(shí)，還肯定了TiAl3和TiB2的作用，認(rèn)為它們都是α-Al潛在的結(jié)晶核心。細(xì)化劑中TiAl3以塊狀形貌、細(xì)小均勻分布的細(xì)化效果最好；TiB2顆粒分布以疏松型聚集狀態(tài)的細(xì)化效果最佳，而密集型聚集狀態(tài)的TiB2顆粒在細(xì)化過(guò)程中很難發(fā)揮形核作用。TiAl3的形態(tài)、尺寸以及TiB2的分散度對(duì)晶粒細(xì)化效果有顯著影響[6-8]，微觀組織中第二相TiB2質(zhì)點(diǎn)呈現(xiàn)較高的分散度是細(xì)化效果較好的重要因素。

上述晶粒細(xì)化效果實(shí)驗(yàn)表明，1#Al-5Ti-1B的細(xì)化效果最好，晶粒細(xì)小且尺寸均勻，這是因?yàn)槠湮⒂^組織中Ti Al3以塊狀、均勻形態(tài)分布，而含B元素的粒子均勻彌散分布，能夠發(fā)揮其各自的形核作用，因而表現(xiàn)出良好的晶粒細(xì)化效果。

3 結(jié)論

（1）Al-5Ti-1B對(duì)鋁合金有明顯的晶粒細(xì)化效果，成分符合A等級(jí)要求的1#桿狀細(xì)化劑細(xì)化效果最好。

（2）桿狀A(yù)l-5Ti-1B細(xì)化劑其組織中Ti以塊狀形態(tài)分布，而B(niǎo)元素以均勻彌散形態(tài)分布于合金中。