晶粒細(xì)化劑對(duì)7050鋁合金鑄錠晶粒組織的影響

李丹丹，樊 勇，劉 強(qiáng)，溫慶紅，牟 春

（1.西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326；2.北京星航機(jī)電裝備有限公司，北京 100071）

0 前言

7050 鋁合金是通過(guò)降低7075 鋁合金中的Fe 和Si 等雜質(zhì)含量，提高Zn、Cu 的含量及Zn/Mg 比值，并在合金中添加Zr 替代Cr 開(kāi)發(fā)出來(lái)的。由于這些成分的改進(jìn)及采用過(guò)時(shí)效狀態(tài)，使7050 鋁合金在保持較高強(qiáng)度水平條件下，同時(shí)具有韌性好、疲勞強(qiáng)度高和抗應(yīng)力腐蝕性能好等優(yōu)良綜合性能。7050 鋁合金另一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是淬透性好，特別適用于制造厚大截面的零件[1]。

晶粒細(xì)化是控制材料組織、改善材料性能的一個(gè)重要手段。通過(guò)晶粒細(xì)化，不僅使初晶α-Al 由粗大樹(shù)枝晶變?yōu)榧?xì)小等軸晶，而且還能起到以下作用：改善合金的補(bǔ)縮能力，使組織致密；使二次枝晶細(xì)小，第二相分布均勻，有利于抑制或減輕宏觀偏析、羽毛狀晶、浮游晶和粗大金屬間化合物的生成；減少針孔的尺寸和數(shù)量，使其分布更加均勻彌散；消除鋁合金表面缺陷和熱軋缺陷，克服熱裂缺陷和產(chǎn)生傾向，減少裂紋，改善和提高鑄錠的塑性加工變形能力及提高產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量等。因此強(qiáng)化熔鑄過(guò)程中的晶粒細(xì)化處理是控制鑄錠組織、獲得優(yōu)質(zhì)鋁材加工坯料和改善鋁合金冶金質(zhì)量的重要途徑[2]。

晶粒細(xì)化的途經(jīng)有細(xì)化鑄造組織、大變形量加工以及快速退火等手段，而添加晶粒細(xì)化劑細(xì)化鑄造組織是最根本、最經(jīng)濟(jì)和最有效的方法[3]。在生產(chǎn)實(shí)踐中，通常在鑄造時(shí)向鋁熔體中連續(xù)添加中間合金晶粒細(xì)化劑進(jìn)行晶粒細(xì)化，這也是目前效果最好、最實(shí)用的晶粒細(xì)化方法。

目前，航空用變形鋁合金的半連續(xù)鑄造過(guò)程廣泛采用AlTi3C0.15 和AlTi5B1 兩類細(xì)化劑進(jìn)行晶粒細(xì)化。

AlTi5B1 具有良好的細(xì)化效果，已被廣泛應(yīng)用于鋁合金行業(yè)，但內(nèi)部TiB2容易聚集、沉淀，同時(shí)Zr、Cr、Mn 等雜質(zhì)元素還會(huì)與Ti 反應(yīng)導(dǎo)致細(xì)化劑產(chǎn)生“中毒”現(xiàn)象。AlTi3C0.15 合金的TiC 不易發(fā)生聚集沉淀，對(duì)導(dǎo)致Al-Ti-B“中毒”的Zr、Cr、Mn 等元素具有“免疫”功能。但Al-Ti-C 的細(xì)化能力低于Al-Ti-B，而且具有明顯的衰減性[4]，此外其制備工藝也較為復(fù)雜。

鑒于Al-Ti-C 和Al-Ti-B 細(xì)化劑的各自優(yōu)缺點(diǎn)，目前關(guān)于AlTi3C0.15 和AlTi5B1 兩類細(xì)化劑對(duì)7050 合金鑄錠晶粒組織影響沒(méi)有定論。本文擬對(duì)采用這兩類細(xì)化劑生產(chǎn)的7050 鋁合金鑄錠晶粒組織進(jìn)行對(duì)比研究，明晰晶粒組織差異，明確各類細(xì)化劑對(duì)7050鋁合金鑄錠的細(xì)化效果。

1 試驗(yàn)材料及方法

本試驗(yàn)使用的7050 鋁合金鑄錠分別采用AlTi3C0.15 和AlTi5B1 兩類細(xì)化劑，共計(jì)3 種規(guī)格。鑄錠明細(xì)見(jiàn)表1。

表1 鑄錠明細(xì)

試驗(yàn)方法：取3種試驗(yàn)鑄錠底部試片進(jìn)行低倍浸蝕，觀察低倍組織；并在各鑄錠底部1/2 寬度沿厚度方向取高倍樣品，觀察3/8厚度（3T/8）和1/2厚度（T/2）位置的晶粒組織，并測(cè)量其晶粒尺寸，取樣示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 高倍樣品取樣示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 低倍組織

3 種試驗(yàn)鑄錠底部低倍試驗(yàn)組織見(jiàn)圖2，低倍觀察結(jié)果見(jiàn)表2。由圖2、表2 可知：采用AlTi3C0.15 細(xì)化的兩個(gè)規(guī)格鑄錠低倍晶粒度在2.5～3 級(jí)之間；采用AlTi5B1 細(xì)化的鑄錠低倍晶粒度為1.5級(jí)，明顯小于采用AlTi3C0.15細(xì)化的鑄錠。

圖2 低倍組織

表2 低倍觀察結(jié)果

2.2 晶粒組織

3種試驗(yàn)鑄錠底部不同厚度位置樣品的典型晶粒組織見(jiàn)圖3，晶粒尺寸測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

圖3 典型晶粒組織

表3 晶粒尺寸測(cè)量結(jié)果

由圖3、表3 可知：各樣品晶粒組織呈等軸狀；采用AlTi3C0.15 細(xì)化劑的兩個(gè)規(guī)格鑄錠3/8 厚度位置的晶粒尺寸大于1/2 厚度位置，且兩個(gè)規(guī)格鑄錠晶粒尺寸基本相當(dāng)；采用AlTi5B1 細(xì)化劑的鑄錠3/8厚度位置的晶粒尺寸小于1/2厚度位置；采用AlTi3C0.15 細(xì)化劑的鑄錠晶粒尺寸明顯大于采用AlTi5B1細(xì)化劑的鑄錠。

3 試驗(yàn)分析

采用AlTi3C0.15細(xì)化劑的兩個(gè)規(guī)格鑄錠晶粒尺寸基本相當(dāng)，且鑄錠晶粒尺寸明顯大于采用AlTi5B1細(xì)化劑的鑄錠。可以看出，對(duì)于7050鋁合金而言，AlTi3C0.15 晶粒細(xì)化劑細(xì)化效果不如AlTi5B1晶粒細(xì)化劑。

在半連續(xù)鑄造過(guò)程中，熱量由鑄錠心部向鑄錠邊部擴(kuò)散，鑄錠邊部由結(jié)晶器及水流冷卻，因此，凝固的過(guò)冷度由鑄錠心部向邊部逐漸增大，臨界形核尺寸逐漸減小，形核率逐漸提高，鑄錠晶粒尺寸逐漸減小[5]。但是采用AlTi3C0.15 細(xì)化劑的兩個(gè)規(guī)格鑄錠3/8 厚度位置的晶粒尺寸大于1/2 厚度位置。這可能與AlTi3C0.15 和AlTi5B1 晶粒細(xì)化劑的作用及分布存在差異有關(guān)。

4 結(jié)論

（1）采用AlTi3C0.15 細(xì)化劑的鑄錠低倍晶粒度明顯大于采用AlTi5B1細(xì)化劑的鑄錠。對(duì)于7050鋁合金而言，AlTi3C0.15晶粒細(xì)化劑細(xì)化效果不如AlTi5B1晶粒細(xì)化劑。

（2）采用AlTi3C0.15細(xì)化劑的鑄錠3/8厚度位置的晶粒尺寸大于1/2 厚度位置，采用AlTi5B1 細(xì)化劑的鑄錠3/8厚度位置的晶粒尺寸小于1/2厚度位置。這可能與AlTi3C0.15 和AlTi5B1 晶粒細(xì)化劑的作用及分布存在差異有關(guān)。