Mg-30%Gd對Al-5Ti合金中TiAl3粒子尺寸分布影響

尹冬松，趙繼濤，張忠凱，韋霞軍，安勇良，張春雨，王春陽王振鈴，李　州，龐前濤，李青山，陳　睿

（1黑龍江科技大學材料科學與工程學院，黑龍江哈爾濱150022；2.哈爾濱東盛金屬材料有限公司，黑龍江哈爾濱150000）

Mg-30%Gd對Al-5Ti合金中TiAl3粒子尺寸分布影響

尹冬松1，趙繼濤1，張忠凱2，韋霞軍1，安勇良1，張春雨2，王春陽2王振鈴1，李州2，龐前濤1，李青山2，陳睿2

（1黑龍江科技大學材料科學與工程學院，黑龍江哈爾濱150022；2.哈爾濱東盛金屬材料有限公司，黑龍江哈爾濱150000）

研究了研究了Mg-30%Gd對Al-5Ti中間合金微觀結(jié)構(gòu)的影響，實驗結(jié)果表明：Al-5Ti合金基體上存在大量均勻分布的條狀的Al-Ti粒子，添加Mg-30%Gd后，合金中Ti-Al粒子形貌，尺寸及分布發(fā)生顯著變化，當其添加量為1%時，合金中TiAl3粒子的徑向尺寸由20μm降低到5μm～10μm，繼續(xù)增加添加量至2%時，合金基體上Ti-Al-粒子尺寸變化不大，合金基體上突現(xiàn)大量大尺寸的氣孔；采用掃描電鏡進行分析，發(fā)現(xiàn)Al-5Ti中間合金基體上無夾雜，粒子與Al基體的界面干凈，能譜分析結(jié)果表明，粒子中Al∶Ti原子比接近3∶1.對比Al-5Ti和添加1%Mg-30%Gd后細化劑的細化效果，發(fā)現(xiàn)添加1%Mg-30%Gd后，加入Al-7Si合金后，細化效果顯著提高。

A l-5Ti；Mg-30%Gd；微觀組織；細化

鋁合金質(zhì)量輕，導電性、導熱性及耐蝕性好的優(yōu)點，在航空、航天、汽車及電子等領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用，但鋁合金在鑄造過程中存在鑄態(tài)組織粗大的問題，特別是存在大量的柱狀晶，造成鋁合金力學性能顯著降低，并顯著降低了鑄造鋁合金的加工性能。因此，在鋁合金鑄造與加工過程中，需要采取各種措施對鋁合金的凝固組織進行細化，來獲得細小和均勻的等軸晶組織。

目前，細化鋁合金鑄態(tài)組織的方法主要是在鋁合金熔體中添加少量的中間合金細化劑，常用的細化劑有Al-5Ti、Al-10Ti、Al-5Ti-1B等，主要是利用Ti和B的金屬間化合物來細化合金；以往制備的Al-Ti及Al-Ti-B等細化劑是采用氟鹽法制備，其基本原理如下：3K2TiF6+13Al→3Al3Ti+3KAlF4+K3TiF6，6KBF4+3K2TiF6+10Al→TiB2+9KAlF4+K3AlF6[1]，但會產(chǎn)生大量的雜質(zhì)，并且會產(chǎn)生由于TiAl3和TiB2相易聚集沉淀而失去作用；近年來，又開發(fā)出多種細化劑，如AlTiC、AlTiCRE、AlTiBe、AlTiSr、AlTiCB等；其中稀土元素能夠清除細化劑中雜質(zhì)并細化其基體上的第二相[2-5]。而稀土元素眾多，不同元素的影響也有差異，因此，有必要對稀土元素的影響作系統(tǒng)的研究。在以往研究中發(fā)現(xiàn)，Mg元素能夠激發(fā)稀土元素的細化效果[6]，從而可以考察鎂稀土中間合金對Al-5Ti細化劑的微觀組織及細化效果，因此，研究中采用在Al-5Ti中添加Mg-30%Gd，研究Mg-30%Gd含量變化對Al-5Ti[Al-5Ti]合金的微觀組織和細化效果影響，研究細化劑對A356鋁合金的細化效果及Mg-30%Gd的作用，提高其細化效率的途徑；稀土資源是我國的優(yōu)勢，如果能夠發(fā)揮稀土的細化優(yōu)勢，將具有重要意義。

1　實驗材料與方法

采用商用Al-5Ti中間合金作為原料，稀土Ce以Mg-30%Gd中間合金形式添加。在真空感應(yīng)爐中進行新型Al-5Ti-Mg-Gd細化劑的熔配。熔煉過程中，交變電磁場產(chǎn)生的渦流對合金熔體進行攪拌，以確保中間合金成分均勻。澆注前靜置5min后，澆入預熱至的石墨型模具中。得到的新型細化劑試樣，其名義成分為Al-5Ti，Al-5Ti-1（Mg-30%Gd），Al-5Ti-2（Mg-30%Gd）；試驗選用Al-7Si鋁合金進行晶粒細化處理試驗，用砂型澆注鑄錠。制取金相試樣，并用體積分數(shù)為0.5%HF酸進行腐蝕。用蔡司金相顯微鏡對金相試樣進行觀察分析，用掃描電鏡觀察試樣并用其附帶能譜分析儀對試樣中的第二相進行能譜成分分析。

2　實驗結(jié)果與分析

2.1微觀組織

圖1a）為Al-5Ti合金的微觀組織，可以看出，Al-5Ti合金由灰黑色鋁基體和亮白析出相組成，該相呈短棒狀，有序排列，其徑向尺寸在20μm左右，軸向尺寸波動較大，在200μm以上；添加1% Mg-30%Gd后Al-5Ti合金微觀組織如圖1b）所示，可以看出，添加1%Mg-30%Gd合金后，Al-5Ti合金基體上析出相尺寸顯著降低，軸向尺寸顯著降低，最小尺寸在5μm左右，徑向尺寸顯著降低，在5μm~ 10μm之間波動，圖1c）為添加2%Mg-30%Gd后Al-5Ti合金的微觀組織，可以看出，與添加1% Mg-30%Gd合金的Al-5Ti相比，合金基體上的析出相尺寸變化不大，圖1d）為該合金的低倍（100×）金相組織，可以看出合金基體上分布大量大尺寸孔洞。

圖2a）為Al-5Ti-1（Mg-30%Gd）合金的掃描電鏡像，可以看出合金基體呈灰暗色，基體上有凸起的條狀物和樹枝狀物，為析出相；圖2b）為合金析出相的能譜分析圖，可以看出，Al峰較強，并含有大量的Ti峰，表明析出相主要由Al元素和Ti元素組成；表1為EDS對析出相成分分析結(jié)果，可知，其中Al質(zhì)量分數(shù)為66.51%，Ti質(zhì)量分數(shù)為33.29%，Al∶Ti接近3∶1.

圖1　不同Mg-30%Gd添加量（質(zhì)量分數(shù)）Al-5Ti合金的金相組織

圖2　Al-Ti相SEM像和EDS分析

表1　Ti-Al相成分分析

圖3為在Al-7Si合金中添加1%Al-5Ti及Al-5Ti-1（Mg-30%Gd）后細化結(jié)果金相組織，圖3a）Al-7Si中添加1%Al-5Ti的金相組織，可以看出：合金由灰白色的α-Al枝晶和枝晶之間共晶硅組成，圖3b）為添加Al-5Ti-1（Mg-30%Gd）細化劑后Al-7Si合金的金相組織，可知與圖3a）相比，Al-7Si的二次樹枝晶臂尺寸明顯降低，Al-5Ti-1（Mg-30% Gd）的細化效果明顯要比Al-5Ti顯著。

圖3　添加不同細化劑后Al-7Si的金相組織

2.2實驗結(jié)果分析

Al-5Ti作為細化劑主要是Al-5Ti中的Al3Ti的作用，自40年代起，人們就發(fā)現(xiàn)鈦能夠細化鋁及其合金的晶粒，從而改善力學性能和加工工藝。其機理如下：Al3Ti與α（Al）之間存在著晶面及晶格常數(shù)對應(yīng)關(guān)系，故能夠起到細化晶粒作用，Al3Ti與面心立方晶格結(jié)構(gòu)的α（Al）之間有下述對應(yīng)關(guān)系：（001）Al‖（001）Al3Ti，[100]Al‖[100]Al3Ti，（211）Al‖（001）Al3Ti，兩者的晶格常數(shù)約等于6%，因此Al3Ti能夠作為異質(zhì)形核質(zhì)點，細化鋁合金；發(fā)生的反應(yīng)如下：

該反應(yīng)為包晶反應(yīng)，在凝固過程中，α（Al）得到細化。而Al3Ti的尺寸越細小，彌散，鋁合金的晶粒尺寸越小[7]。

稀土元素在鋁中的固溶度較小，細化劑中的稀土元素Gd與Al、Ti反應(yīng)而生成了稀土相，但稀土相在熔融鋁液中是極不穩(wěn)定的，很快會被分解[8,9]，Gd原子半徑為0.180 2 nm，Al原子半徑為0.143 nm，小于Gd的原子半徑，當鋁合金界面存在缺陷時，很容易就會填補在缺陷處。因此，Gd原子在晶界和相界面吸附偏聚，填補兩相界面的缺陷，并最終形成膜層，阻礙第二相顆粒長大。此外，可使合金潤濕角增大，從而改善鋁液對第二相粒子的潤濕性，使得第二相粒子在α-Al基體中容易鋪展開，阻礙其長大，使其變得更加細??；在進行細化時,同樣量的第二相粒子越細小，所提供的形核質(zhì)點就越多，同時也不容易沉淀，細化效果就會相應(yīng)提高[10，11]。

活化元素Mg對第二相也有一定的吸附作用，并能夠阻礙第二相的生長，這會對第二相形貌產(chǎn)生一定的影響，提高形核率[6]；因此添加一定量的Mg元素，來進一步提高稀土Gd對Al3Ti的細化作用。另據(jù)報道[12]，在Al5Ti細化劑中添加稀土元素可以除氣、除渣，凈化因氟鹽反應(yīng)而造成的夾雜，也能夠增強細化效果。但當Mg-30%Gd含量增加到2%時，由于Mg質(zhì)量分數(shù)過高，引起稀土和鎂元素的氧化燒損，對Al3Ti的細化效果并沒有明顯提高，合金熔體Mg元素增加導致細化劑中氫元素的顯著增加，因此增加了合金中的氣孔。

3　結(jié)論

1）Al-5Ti的組織由α-Al相和Al-Ti粒子組成，Al-Ti粒子呈條狀，徑向尺寸為20μm~30μm，其中Al∶Ti接近3∶1；

2）在Al-5Ti合金中添加1%Mg-30%Gd后，Al-Ti粒子尺寸顯著降低，徑向尺寸降低至5μm~ 10μm，軸向上發(fā)生斷離；

3）對于Al-7Si合金Al-5Ti-1%（Mg-30%Gd）的細化效果明顯比Al-5Ti-顯著。

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Effects of M g-30%Gd on Dimensions Distribution of TiAl3Particles in Al-5Ti Alloys YIN Dong-song1,ZHAO Ji-tao1,ZHANG Zhong-kai,WEIXia-jun1,ANYong-liang1，ZHANGChun-yu2,

WANG Chun-yang2,WANG Zheng-ling1,LIZhou2，PANGQian-tao1,LIQing-shan2,CHEN Rui2
（1.School ofMaterials Science and Engineering,Heilongjiang University of Science and Technology,Harbin heilongjiang 150022，China；2.Dongsongmetalmaterials CO.LTD.，Haerbin heilongjiang 150000，China）

This paper studied the effects of Mg-30%Gd on the microstructure of Al-5Ti master alloy.Experimental results showed that a large number of strips of Al-Ti alloy particles distributed in thematrix Al-5Ti.Adding Mg-30%Gd,the morphology, size and distribution of Ti-Al alloy particle had a significant change.When added an amount 1wt%,the radial dimension of TiAl3 particles in the alloy droped from 20 microns to 5-10 microns.When increasing the addition amount of 2wt%,TiA l3particle size changed little,but lot of poreed with the large size were found on the alloy matrix.Based on the scanning electron microscope（SEM）,Ti-Al alloy had no inclusion on thematrix.The interface of particles and matrix was clean.EDS analysis showed that the atomic ratio of A l and Ti in particles was close to 3∶1.The refining effect of alloy added 1wt%Mg-30%Gd had a significantly improvementafter joining Al-7Sialloy.

Al-5Ti,Mg-30%Gd，microstructure，refine

TG146

A

1674-6694（2015）04-0022-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.04.010

2015-06-07

尹冬松（1974-），男，黑龍江省慶安縣人，工學博士，副教授，主要從事輕合金材料制備及性能研究

黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計劃項目（No. GC13A104）