高溫熔體反應(yīng)法制備Al-5Ti-1B細(xì)化劑

李 賀，柴麗華，馬騰飛，陳子勇

(1 北京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124；2 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

高溫熔體反應(yīng)法制備Al-5Ti-1B細(xì)化劑

李 賀1，柴麗華1，馬騰飛2，陳子勇1

(1 北京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124；2 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

利用高溫熔體反應(yīng)法成功制備Al-5Ti-1B細(xì)化劑。通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算，確定Al-5Ti-1B細(xì)化劑的起始反應(yīng)溫度，研究熔體溫度對(duì)細(xì)化劑組織形貌及吸收率的影響。利用X射線衍射，掃描電子顯微鏡和X射線能譜儀觀察細(xì)化劑的相組成和形貌，同時(shí)對(duì)Al-5Ti-1B細(xì)化劑鑄錠進(jìn)行高溫?cái)D壓，并對(duì)擠壓出的φ9.5mm絲材進(jìn)行微觀組織分析和細(xì)化實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：細(xì)化劑主要由TiB2，TiAl3，α-Al相組成；850℃制備的細(xì)化劑鑄錠組織形貌最佳，且Ti和B吸收率達(dá)到最佳匹配。擠壓后TiAl3相呈細(xì)小的塊狀和TiB2彌散分布在基體內(nèi)。添加0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))細(xì)化劑后，純鋁的晶粒尺寸由3.99mm細(xì)化到0.45mm。

Al-Ti-B；熔體反應(yīng)法；熱力學(xué)計(jì)算；微觀組織；晶粒細(xì)化

細(xì)化合金鑄態(tài)組織是改善合金后續(xù)加工產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段，添加晶粒細(xì)化劑是細(xì)化晶粒、改善合金微觀組織最簡(jiǎn)單和有效的方法。Al-Ti-B中間合金是使用廣泛的晶粒細(xì)化劑，具有細(xì)化效率高、成本低廉和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)中應(yīng)用日益廣泛，發(fā)揮著其他晶粒細(xì)化方法無(wú)法比擬的優(yōu)越性[1-4]。隨著對(duì)合金要求越來(lái)越高，高性能Al-Ti-B的研究顯得尤為重要，但目前國(guó)內(nèi)外在Al-Ti-B的質(zhì)量及其生產(chǎn)技術(shù)方面還存在不足[5-8]：(1) Al-Ti-B中的化合物(TiAl3，TiB2，(Al，Ti)B2，AlB2等)真正起到非均勻形核基底作用的不到1%，其所含化合物的形核潛能遠(yuǎn)未發(fā)揮出來(lái)；(2)Al-Ti-B冶金質(zhì)量差，夾雜物及氧化物含量高，在細(xì)化鋁及其合金的同時(shí)帶來(lái)嚴(yán)重的污染，不利于合金性能的提高；(3)傳統(tǒng)方法(氟鹽法)制備的Al-Ti-B中TiB2的尺寸較大，且易于聚集成團(tuán)，從而明顯降低其細(xì)化能力。同時(shí)TiB2還會(huì)和Zr，Cr等元素發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)化劑“中毒”，失去細(xì)化能力；(4)Al-Ti-B細(xì)化鋁及合金的效果不穩(wěn)定，因此難以控制鋁制品的產(chǎn)品質(zhì)量。我國(guó)晶粒細(xì)化劑同國(guó)外相比存在較大差距，在細(xì)化劑的質(zhì)量方面，其凈化程度和細(xì)化作用穩(wěn)定程度有待提高[9,10]。開發(fā)高效、潔凈、穩(wěn)定的Al-Ti-B細(xì)化劑制備工藝，是解決Al-Ti-B細(xì)化劑不足的重要手段。

本工作利用高溫熔體反應(yīng)法制備高效Al-5Ti-1B細(xì)化劑。通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算，確定Al-5Ti-1B細(xì)化劑的起始反應(yīng)溫度。對(duì)熔鑄的Al-5Ti-1B細(xì)化劑鑄錠進(jìn)行擠壓，獲得組織形貌良好的細(xì)化劑，并對(duì)擠壓后的細(xì)化劑進(jìn)行細(xì)化實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

利用石墨坩堝電阻爐加熱，熔體反應(yīng)法制備細(xì)化劑。制備原料為高純鋁錠(99.9%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))、Al粉(300目)、Ti粉(325目)、B粉(325目)。先將Al，Ti，B粉末按Al∶Ti∶B=3∶1∶1摩爾比要求配比，機(jī)械混合均勻，壓制成直徑30mm、高50mm的柱形粉塊。800℃熔化鋁錠，熱電偶測(cè)溫，升溫至所需溫度，用石墨鐘罩壓入預(yù)先制好的粉塊，機(jī)械攪拌反應(yīng)10min。熔體反應(yīng)法制備過(guò)程如圖1所示。

圖1 熔體反應(yīng)法制備細(xì)化劑過(guò)程Fig.1 Preparation process of refiner by melt reaction method

反應(yīng)結(jié)束后壓入C2Cl6除氣精煉，清除表面浮渣，在720℃澆注到已預(yù)熱(250℃×1h)的直徑為90mm、高為150mm的柱形鋼模中，即獲得細(xì)化劑。對(duì)熔鑄的細(xì)化劑鑄錠進(jìn)行高溫?cái)D壓，擠壓溫度為430℃，擠壓速率為5～8mm·s-1，擠壓比為89.7∶1。對(duì)擠壓前后的細(xì)化劑進(jìn)行微觀組織分析，觀察細(xì)化相的尺寸、形態(tài)和分布情況。

根據(jù)之前的研究[11-13]，獲得最佳的細(xì)化時(shí)間出現(xiàn)在2min之后?？紤]其衰退性，在2～5min之間細(xì)化效果一般都可以達(dá)到最佳，本工作在此基礎(chǔ)上選擇最佳細(xì)化接觸時(shí)間，對(duì)擠壓后的細(xì)化劑絲材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其接觸時(shí)間分別為2min和5min。對(duì)細(xì)化實(shí)驗(yàn)澆鑄的試樣進(jìn)行表面處理，用600～2000#砂紙磨平且拋光至鏡面，用60%HCl + 30%HNO3+ 5%HF +5%H2O(體積分?jǐn)?shù))特強(qiáng)混合酸試劑進(jìn)行表面腐蝕(腐蝕時(shí)間為3～5s)，然后拍攝宏觀照片。

根據(jù)GB/T6394-2002標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量細(xì)化后的鋁晶粒大小。截點(diǎn)法測(cè)量晶粒平均尺寸作為評(píng)定依據(jù)。為了獲得合理的平均值，選擇3～5個(gè)代表性視場(chǎng)，測(cè)量出每個(gè)視場(chǎng)中被一根直線所截的晶粒數(shù)，以平均截距D來(lái)測(cè)定晶粒度。

(1)

式中：L為測(cè)量線段長(zhǎng)度，mm；M為觀測(cè)用放大倍數(shù)；P為測(cè)量線段上的截點(diǎn)數(shù)。

采用D8 ADVANCE型X射線衍射儀(XRD)對(duì)細(xì)化劑進(jìn)行物相分析；采用FEI QUANTA FEG 650型掃描電鏡(SEM)、背散射電子像觀察細(xì)化劑中粒子形貌及分布情況；用掃描電鏡配備的X射線能譜儀(EDS)對(duì)微區(qū)元素成分進(jìn)行定性和半定量分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 熔體反應(yīng)絕熱溫度計(jì)算

自蔓延反應(yīng)(Self-propagating High-temperature Synthesis，SHS)過(guò)程中，初始反應(yīng)溫度為室溫，反應(yīng)達(dá)到的最大溫度稱為絕熱溫度(Tad)。對(duì)于SHS反應(yīng)，文獻(xiàn)[14-16]提出經(jīng)驗(yàn)判據(jù)，即當(dāng)絕熱溫度Tad≥1527℃時(shí)，SHS反應(yīng)能自我維持，否則需要外界對(duì)體系補(bǔ)充能量。絕熱溫度可以根據(jù)反應(yīng)過(guò)程中的物質(zhì)形成和相變的熱焓計(jì)算。熔體反應(yīng)是利用反應(yīng)過(guò)程中釋放出的熱量維持反應(yīng)的進(jìn)行，雖然熔體反應(yīng)并非真正意義上的自蔓延反應(yīng)，如果不考慮反應(yīng)過(guò)程中的熱量散失，可以將其近似看為自蔓延反應(yīng)。對(duì)于熔體反應(yīng)法制備細(xì)化劑過(guò)程，其中的熔體反應(yīng)溫度直接關(guān)系到反應(yīng)能否順利進(jìn)行，對(duì)其進(jìn)行熱力學(xué)分析十分必要。在對(duì)熔體反應(yīng)計(jì)算過(guò)程中，需要考慮鋁的熔化熱和TiAl3，TiB2相變反應(yīng)所釋放出的熱。若根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，絕熱溫度達(dá)到1527℃時(shí)反應(yīng)可以發(fā)生，則可以計(jì)算出初始反應(yīng)溫度，也就是熔體溫度。本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

3Al+2Ti+2B=TiB2+TiAl3

(2)

根據(jù)熱力學(xué)第一定律[12]:

(3)

式中：Cp為等壓熱容；H為物質(zhì)的焓變；T為溫度。

在常溫和溫度T區(qū)間內(nèi)積分，在研究的溫度T范圍內(nèi)考慮物質(zhì)的固相轉(zhuǎn)變、熔化現(xiàn)象，忽略汽化現(xiàn)象，則：

(4)

Cp=a+b×10-3T+c×105T-2+

(5)

根據(jù)基爾霍夫(Kirchhoff)方程[12]：

(6)

式中:ΔCp為生成物等壓熱容之和與反應(yīng)物等壓熱容之和的差值，即反應(yīng)的熱容差。

(7)

式中:ni為參與反應(yīng)各物質(zhì)中i物質(zhì)的量；Cp,i為i物質(zhì)的摩爾定壓熱容。

假設(shè)絕熱條件下反應(yīng)物按化學(xué)計(jì)量比100%發(fā)生反應(yīng)，釋放出的熱量會(huì)全部用到反應(yīng)方程中，如果在標(biāo)準(zhǔn)情況下進(jìn)行反應(yīng)，則有如下熱平衡方程:

(8)

(9)

假設(shè)反應(yīng)的絕熱溫度為1527℃，則可以求出預(yù)熱溫度T0，即起始反應(yīng)溫度，經(jīng)過(guò)計(jì)算T0為723℃?？紤]本實(shí)驗(yàn)在大氣條件下進(jìn)行，為了保證反應(yīng)順利進(jìn)行，將起始反應(yīng)溫度提高，選擇800℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.2 Al-5Ti-1B細(xì)化劑熔體反應(yīng)過(guò)程及XRD分析

根據(jù)自蔓延反應(yīng)法制備細(xì)化劑提出的熔體反應(yīng)法，是利用反應(yīng)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放出熱量維持反應(yīng)過(guò)程的自我進(jìn)行，無(wú)需額外加熱即可獲得設(shè)計(jì)的組織成分的一種制備方法。反應(yīng)速率與起始反應(yīng)溫度密切相關(guān)，隨起始反應(yīng)溫度升高反應(yīng)速率增加。在起始溫度較低的情況下，生成物形成速率很慢，由于熱量的散失使得放熱反應(yīng)消失。如果起始反應(yīng)溫度足夠高，能夠很快達(dá)到反應(yīng)溫度，那么反應(yīng)釋放出的熱量可以提高溫度，進(jìn)而促進(jìn)周圍反應(yīng)的進(jìn)行。為了使反應(yīng)順利進(jìn)行，就要達(dá)到一定的起始溫度，使反應(yīng)生成熱超過(guò)熱量的散失，熱量才能傳遞，反應(yīng)才能持續(xù)進(jìn)行。熔體反應(yīng)過(guò)程也是利用反應(yīng)釋放出的熱量進(jìn)行物質(zhì)的合成，前期生成TiAl3過(guò)程為固液反應(yīng)，后期生成TiB2的反應(yīng)也為固液反應(yīng)[17]。將粉塊壓入到高溫鋁液中，粉塊中鋁粉熔點(diǎn)較低首先發(fā)生熔化，熔化釋放出的熱量促使Al和Ti發(fā)生反應(yīng)生成TiAl3，反應(yīng)過(guò)程中Al為液態(tài)，由于Ti熔點(diǎn)(1668℃)較高，在反應(yīng)開始其仍然為固態(tài)。在鋁粉未完全熔化的時(shí)候，粉末Ti與Al在低于Al熔點(diǎn)溫度下會(huì)發(fā)生擴(kuò)散反應(yīng)，在Ti與Al顆粒界面上形成TiAl3相。在Al熔點(diǎn)時(shí)，Al在Ti中的擴(kuò)散速率和Ti在Al中的擴(kuò)散速率分別為0.075μm/s和0.066μm/s，Al略高于Ti。但是Ti在Al中的固溶度要遠(yuǎn)小于Al在Ti中的固溶度，因而Al為主要擴(kuò)散組元?？梢姡诘陀贏l的熔點(diǎn)溫度時(shí)，TiAl3為唯一的中間相。在Al熔點(diǎn)以上時(shí)，未反應(yīng)完全的Al發(fā)生熔化。此時(shí)，液態(tài)Al與固態(tài)Ti發(fā)生反應(yīng)，在Ti顆粒表面形成TiAl3，其反應(yīng)速率很快[17]。反應(yīng)過(guò)程釋放出的熱量使金屬元素Ti發(fā)生熔化，但這種熔化只是Ti顆粒表面幾個(gè)原子層范圍的熔化，固態(tài)Ti和B原子發(fā)生反應(yīng)，生成TiB2粒子。對(duì)于金屬硼化物系統(tǒng)，Birol[18]提出依據(jù)原子半徑比Rx/Rm進(jìn)行分類(Rx為非金屬原子半徑，Rm為金屬原子半徑)。當(dāng)Rx/Rm<0.59時(shí)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，金屬原子占據(jù)點(diǎn)陣，非金屬原子占據(jù)間隙位置，TiB2為這種結(jié)構(gòu)；Rx/Rm>0.59時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)就變得復(fù)雜。金屬粒子尺寸大，則反應(yīng)達(dá)到的最大溫度低，反應(yīng)進(jìn)行不完全，并且形成的反應(yīng)物分布不均勻。反應(yīng)過(guò)程雖然短暫且不可控制，通過(guò)對(duì)反應(yīng)過(guò)程的了解，也可以利用一些可以控制的參數(shù)，如反應(yīng)溫度、粉末粒度控制，得到理想的組織。反應(yīng)結(jié)束后，由于TiAl3，TiB2粒子熔點(diǎn)較大，反應(yīng)結(jié)束后不會(huì)熔化，仍保留在鋁熔體之中。

為了確認(rèn)在計(jì)算溫度下，熔體反應(yīng)能否順利進(jìn)行，對(duì)制備的細(xì)化劑鑄錠進(jìn)行了XRD物相分析，如圖2所示。通過(guò)X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)，800℃熔體反應(yīng)制備的細(xì)化劑包含TiB2，TiAl3和α-Al相?？梢猿晒χ苽涑鯝l-5Ti-1B細(xì)化劑，同時(shí)驗(yàn)證了熱力學(xué)的計(jì)算，即在800℃反應(yīng)可以順利進(jìn)行。

圖2 熔體反應(yīng)法制備的Al-5Ti-1B細(xì)化劑XRD分析Fig.2 XRD pattern of Al-5Ti-1B refiner prepared by melt reaction method

2.3 反應(yīng)溫度對(duì)Al-Ti-1B組織形貌及吸收率的影響

圖3為不同反應(yīng)溫度時(shí)制備的Al-5Ti-1B細(xì)化劑SEM圖。對(duì)圖3中的A,B兩點(diǎn)進(jìn)行EDS分析，如圖4所示?？芍磻?yīng)生成的主要析出相為TiB2和TiAl3相。隨著反應(yīng)溫度的升高，塊狀形貌的粒子數(shù)量增多，反應(yīng)進(jìn)行得更加充分。如圖3(a)所示，在800℃下存在明顯的聚集區(qū)，這是由于反應(yīng)擴(kuò)散不均勻造成的。由圖3(b)可以看出，在850℃反應(yīng)時(shí)粒子數(shù)量明顯增多，塊狀粒子分布均勻。對(duì)其放大可見在TiAl3粒子周圍， 存在大量的TiB2顆粒呈線狀聚集在一起，說(shuō)明在反應(yīng)過(guò)程中，TiAl3反應(yīng)釋放出的熱量促進(jìn)了TiB2的形成。隨著溫度進(jìn)一步升高到900℃(圖3(c))，出現(xiàn)了針狀和塊狀TiAl3共存的現(xiàn)象。這是由于反應(yīng)溫度過(guò)高，部分TiAl3粒子長(zhǎng)大，呈現(xiàn)針狀形貌。Li等在

實(shí)驗(yàn)過(guò)程也發(fā)現(xiàn)TiAl3粒子存在兩種形貌，一種是塊狀形貌，另一種是針狀形貌，不同形貌的粒子對(duì)細(xì)化效果產(chǎn)生重要影響[19]。利用Edge模型進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)(001)晶面上的原子結(jié)合力大于(010)面上的，導(dǎo)致晶體的擇優(yōu)生長(zhǎng)[20]。針狀形貌的TiAl3只有(001)晶面與α-Al共格，共格率低；塊狀形貌的TiAl3有(001)，(011)和(010)三個(gè)晶面與α-Al共格，α-Al更容易附著在TiAl3顆粒上形核[21,22]?？梢钥闯?，隨著溫度升高，粒子形貌及數(shù)量發(fā)生明顯改變：在溫度較低時(shí)，TiAl3粒子呈塊狀形貌，顆粒數(shù)目較少；隨著溫度的升高，反應(yīng)更加充分，TiAl3粒子明顯增多，且由塊狀向針狀形貌發(fā)生轉(zhuǎn)變。

圖3 不同反應(yīng)溫度時(shí)制備的Al-5Ti-1B 細(xì)化劑SEM圖 (a)800℃；(b)850℃；(c)900℃Fig.3 SEM micrographs of Al-5Ti-1B refiner prepared at different temperatures (a)800℃；(b)850℃；(c)900℃

圖4 Al-5Ti-1B細(xì)化劑的EDS分析 (a)圖3(a)中A點(diǎn)；(b)圖3(b)中B點(diǎn)Fig.4 EDS analysis of Al-5Ti-1B refiner (a)point A in fig.3(a)；(b)point B in fig.3(b)

圖5 Ti，B吸收率隨溫度的變化Fig.5 Changes of Ti, B absorption rate with temperature

利用ICP測(cè)量了不同熔體反應(yīng)溫度(800，850，900℃)制備的細(xì)化劑Ti和B含量。Ti，B吸收率定義為制備出的細(xì)化劑合金中的元素(Ti，B)含量與在準(zhǔn)備過(guò)程中實(shí)際添加的元素(Ti，B)含量的比值[23]。圖5為不同溫度時(shí)制備的細(xì)化劑Ti，B吸收率變化曲線?？梢钥闯?，隨著溫度的升高，Ti的吸收率增加，B的吸收率先增加后減少，這可能是由于溫度過(guò)高造成B部分燒損，也可能是因?yàn)闇囟壬叽龠M(jìn)了反應(yīng)的進(jìn)行，形成了較多的TiAl3相，從而抑制了TiB2相的形成，使B吸收率降低。Al-5Ti-1B細(xì)化劑中TiAl3，TiB2共同起到細(xì)化晶粒的作用，要保證兩種粒子數(shù)量均衡。結(jié)合粒子形貌分布情況及Ti，B吸收率的變化，可以看出850℃為最佳的熔體反應(yīng)溫度。

2.4 擠壓后的組織

為了獲得細(xì)化劑絲材，對(duì)熔煉出的細(xì)化劑鑄錠進(jìn)行擠壓處理。首先，將棒材在350℃×2h均勻化處理，消除鑄造應(yīng)力以及偏析，避免在擠壓變形過(guò)程中發(fā)生裂紋。擠壓實(shí)驗(yàn)在XJ-630擠壓機(jī)上進(jìn)行，擠壓出φ9.5mm的桿材，擠壓比為89.7∶1。

對(duì)比熔體反應(yīng)法和常規(guī)方法制備的細(xì)化劑，其細(xì)化劑微觀組織如圖6所示。圖6(a)為熔體反應(yīng)法制備的Al-5Ti-1B細(xì)化劑，可以看出TiAl3粒子呈塊狀，尺寸約為40μm，分布均勻。由于TiB2顆粒較小，變形后促使其彌散分布在基體中，導(dǎo)致其不易觀察。圖6(b)為常規(guī)方法制備的細(xì)化劑，其中的TiAl3粒子大小不一，分布不均勻，尺寸為20～50μm，TiB2依舊很難觀察。在兩種細(xì)化劑中，均存在黑色的空洞，這應(yīng)該是由于熔煉過(guò)程中形成的夾雜或者空洞在變形過(guò)程中仍然未被消除造成的。

圖6 Al-5Ti-1B細(xì)化劑微觀組織 (a)熔體反應(yīng)法；(b)常規(guī)方法Fig.6 Microstructures of Al-5Ti-1B refiner (a)melt reaction method;(b)conventional method

2.5 細(xì)化實(shí)驗(yàn)

根據(jù)YST447.1-2011標(biāo)準(zhǔn)，本實(shí)驗(yàn)采用的細(xì)化溫度為720℃，細(xì)化劑添加量為0.2%，保溫時(shí)間為2，5min。

圖7為常規(guī)方法和熔體反應(yīng)法制備的細(xì)化劑細(xì)化

圖7 常規(guī)方法(1)和熔體反應(yīng)法(2)制備的細(xì)化劑細(xì)化效果 (a)添加前；(b)添加后，保溫2min；(c)添加后，保溫5minFig.7 Refinement of refiner prepared by conventional method(1) and melt reaction method(2)(a)before addition；(b)after addition for 2min；(c)after addition for 5min

效果。可以看出，加入0.2%的細(xì)化劑后，保溫2min和5min的細(xì)化效果比較接近。兩種方法所制備細(xì)化劑的細(xì)化效果非常明顯，通過(guò)截點(diǎn)法計(jì)算純鋁晶粒平均尺寸，如表1所示?？芍砑?.2%細(xì)化劑后，采用傳統(tǒng)方法制備的細(xì)化劑保溫5min后，純鋁平均晶粒尺寸由3.99mm細(xì)化至0.47mm，而采用熔體反應(yīng)法制備的細(xì)化劑保溫5min后，純鋁平均晶粒尺寸由3.99mm細(xì)化到0.45mm。

表1 純鋁晶粒平均尺寸

Mohanty等[25]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，向Al中單獨(dú)添加TiB2粒子不能起到良好的異質(zhì)形核作用，而是TiB2粒子被推到晶界處，失去細(xì)化作用，只有添加少量的Ti，TiB2粒子才能夠細(xì)化晶粒。為了保證良好的細(xì)化效果，Ti，B吸收率要達(dá)到相對(duì)平衡，也就是說(shuō)保證TiAl3，TiB2粒子的數(shù)量平衡。選擇最佳的反應(yīng)溫度制備出的細(xì)化劑具有理想的組織形貌及TiAl3，TiB2粒子數(shù)量。熔體反應(yīng)后制備的Al-5Ti-1B細(xì)化劑鑄錠組織粗大，分布不均勻，利用高溫?cái)D壓的方法，可以將針狀以及塊狀的TiAl3相碎化，最終獲得細(xì)小的TiAl3相，并且均勻分布在基體中，也可以促使TiB2均勻分布，抑制其聚集，使更多的TiB2成為有效的形核質(zhì)點(diǎn)，提高細(xì)化效率。通過(guò)微觀組織觀察和細(xì)化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本實(shí)驗(yàn)采用的熔體反應(yīng)法制備的細(xì)化劑鑄錠經(jīng)過(guò)擠壓變形后，其細(xì)化劑組織優(yōu)于常規(guī)方法制備的Al-5Ti-1B細(xì)化劑。自制的細(xì)化劑細(xì)化效率較高、操作簡(jiǎn)單，為工業(yè)細(xì)化劑制備提供了新方法。

3 結(jié)論

(1)熱力學(xué)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)證明800℃熔體反應(yīng)可以發(fā)生，制備的細(xì)化劑主要由TiB2，TiAl3，α-Al相組成。

(2)850℃熔體反應(yīng)制備的細(xì)化劑粒子數(shù)量、分布、尺寸處于最佳狀態(tài)，且Ti和B的吸收率達(dá)到最佳匹配。430℃擠壓后，TiAl3粒子尺寸約為40μm，均勻分布于基體中。

(3)加入0.2%細(xì)化劑保溫5min細(xì)化效果最佳，純鋁晶粒平均尺寸由3.99mm細(xì)化到0.45mm。細(xì)小均勻分布的TiB2，TiAl3具有更高的細(xì)化效率，TiB2和TiAl3粒子數(shù)量的平衡可以起到細(xì)化晶粒的作用。

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(本文責(zé)編：王 晶)

Synthesis of Al-5Ti-1B Refiner by Melt Reaction Method

LI He1，CHAI Li-hua1，MA Teng-fei2，CHEN Zi-yong1

(1 School of Materials Science and Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2 School of Materials Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)

Al-5Ti-1B refiner was successfully prepared by melt reaction method. Through the thermodynamics calculation, the initial reaction temperature was determined. The influence of reaction temperature on microstructure and absorption rate of the alloy was investigated. The phase and microstructure of the alloy were observed by X-ray diffraction, scanning electron microscope and energy dispersive spectrometer. The Al-5Ti-1B refiner was extruded at high temperature to wire with the diameter of 9.5mm, and then the refinement experiment was carried out on pure aluminium. The results indicate that the refiner consists of TiB2, TiAl3and α-Al, and the microstructure prepared at 850℃ is the optimum and the absorption rate of Ti and B matches the best. The TiAl3and TiB2phases distribute homogeneously in the matrix after extrusion. When adding 0.2%(mass fraction) of Al-5Ti-1B refiner, the grain size of pure aluminium reduces from 3.99mm to 0.45mm.

Al-Ti-B;melt reaction method;thermodynamics calculation;microstructure;grain refinement

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000588

TG146.2+1

A

1001-4381(2017)02-0039-07

2015-05-12;

2016-09-22

陳子勇(1966-)，男，教授，博士，從事專業(yè)：先進(jìn)輕合金，聯(lián)系地址：北京市朝陽(yáng)區(qū)平樂園100號(hào)北京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院309北(100124)，E-mail：czy@bjut.edu.cn