Mg-Ce對(duì)Al-Ti-B合金微觀組織及細(xì)化行為的影響

宋 良， 尹冬松， 張政存， 肖 強(qiáng)

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱150022)

0 引 言

現(xiàn)今，7075鋁合金在飛機(jī)外殼、建材、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等方面應(yīng)用廣泛，且產(chǎn)量逐年增長(zhǎng)。為提高鋁合金的力學(xué)性能，通常加入細(xì)化劑來提高其強(qiáng)韌性[1-2]。Al-Ti-B因其制備工藝簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、成本較低等良好的特點(diǎn)而成為鋁生產(chǎn)行業(yè)使用最廣泛的細(xì)化劑。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，Al-Ti-B合金中TiB2粒子的聚集沉淀或Al-Ti-B中TiAl3粒子過于粗大，嚴(yán)重影響其對(duì)7075鋁合金的細(xì)化效果。有研究表明，在Al-Ti-B中間合金基礎(chǔ)上加入了稀土元素Ce可以起到變質(zhì)和精煉的作用，同時(shí)還可以降低鋁熔體表面張力，從而改善鋁液對(duì)硼化物的潤(rùn)濕性，在一定程度上減少了TiB2的沉淀，可減緩Al-Ti-B-RE細(xì)化劑的衰退時(shí)間[3]。筆者采用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Mg-Ce合金的Al-Ti-B中間合金細(xì)化劑，在其基礎(chǔ)上復(fù)合機(jī)械攪拌的作用，進(jìn)一步改善TiAl3的尺寸，從而探尋提高Al-Ti-B細(xì)化劑對(duì)7075鋁合金細(xì)化性能的方法。

1 實(shí)驗(yàn)方法與設(shè)備

制備Al-Ti-B-X(Mg-Ce)原材料分別為工業(yè)純鋁錠、鈦粉、鋁箔紙、稀土鎂合金(Mg-30Ce)、鋅粒和氟硼酸鉀。將預(yù)熱250 ℃的工業(yè)鋁塊放入井式坩堝電阻爐加熱至鋁錠完全熔化后，用扒渣勺進(jìn)行扒渣處理，之后放入氯化鉀覆蓋劑；升溫到720 ℃時(shí)，將用鋁箔紙包裹好的鈦粉以及氟硼酸鉀按順序添加到坩堝中；除氣扒渣，添加除氣劑除氣，之后使用機(jī)械攪拌機(jī)攪拌20 s，最后扒渣，將Al-Ti-B-(Mg-Ce)熔體澆注入金屬模具中?？紤]材料的綜合力學(xué)性能，分別制備了四組7075鋁合金試樣，4組鋁合金試樣除細(xì)化劑種類不同，其余熔煉條件及原材料配比完全相同。4組鋁合金試樣添加細(xì)化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%的Al-Ti-B、1%的Al-Ti-B-1(Mg-Ce)、1% Al-Ti-B-2(Mg-Ce)和1%的Al-Ti-B-3(Mg-Ce)，分別標(biāo)記為試樣A、B、C、和D。用坩堝電阻爐熔煉配置好的原料，采用金屬型澆注鋁合金試樣。將金屬型在600～700 ℃下預(yù)熱，去除金屬型表面附著的水分。將坩堝電阻爐溫度調(diào)至750 ℃加熱升溫，等待溫度上升至750 ℃加入鋁塊進(jìn)行熔煉，熔煉1 h待鋁塊完全熔煉成鋁水后，加入鋅粒和鎂塊，熔煉時(shí)間為5 min。之后加入銅塊，熔煉時(shí)間為5 min。分別加入不同步質(zhì)量分?jǐn)?shù)的細(xì)化劑，熔煉時(shí)間為5 min。加入爐料總質(zhì)量0.5%的六氯乙烷精煉劑，使用石墨棒進(jìn)行人工攪拌，攪拌后進(jìn)行扒渣，扒渣后夾出坩堝進(jìn)行澆注。使用蔡司顯微鏡分析顯微組織，利用掃描電鏡和能譜儀進(jìn)行微觀組織和微區(qū)分析并進(jìn)行XRD物相分析，分析其細(xì)化行為。

2 結(jié)果與分析

2.1 金相顯微組織

2.1.1 Mg-Ce合金對(duì)Al-Ti-B細(xì)化劑微觀組織的影響

圖1為不同Mg-Ce添加量Al-Ti-B細(xì)化劑的顯微組織。

圖1 不同Mg-Ce添加量Al-Ti-B細(xì)化劑的顯微組織Fig. 1 Microstructure of different Mg-Ce addition of Al-Ti-B refiner

由圖1a可以明顯看出,Al-Ti-B細(xì)化劑顆粒尺寸較大，且分布不均勻，出現(xiàn)偏聚現(xiàn)象。添加1% Mg-Ce合金的Al-Ti-B合金的微觀組織如圖1b所示，第二相粒子數(shù)量多且彌散分布;當(dāng)Mg-Ce添加量為2%時(shí)，合金基體上的第二相尺寸明顯增加，局部區(qū)域呈團(tuán)聚趨勢(shì)，如圖1c所示;當(dāng)Mg-Ce添加量為3%時(shí)，合金基體上的第二相粒子尺寸進(jìn)一步增大，數(shù)量也有所減少，如圖1d所示。Al-Ti-B合金基體上的第二相形貌受Mg-Ce合金的添加量的影響也較為顯著，當(dāng)Mg-Ce合金增加到1%時(shí)，第二相以細(xì)小均勻分布的粒狀為主。當(dāng)Mg-Ce合金添加量從1%增加到2%和3%時(shí)，第二相呈塊狀和橢圓狀,這是因?yàn)镸g-Ce主要起到作用的是稀土Ce，Ce原子會(huì)均勻分散在鋁合金熔液中，阻礙了第二相粒子的偏聚。由于稀土的化學(xué)性質(zhì)很活潑，與熔點(diǎn)較低的第二相粒子反應(yīng)生成稀土相，使得第二相粒子由熔點(diǎn)低的第二相向熔點(diǎn)高的第二相轉(zhuǎn)化，使得第二相質(zhì)點(diǎn)變的更加穩(wěn)定[4]。當(dāng)添加量增加到2%以上時(shí)，合金中的第二相尺寸增大，原因是Mg-Ce合金易與鋁鈦形成鋁鈦稀土復(fù)合相，使得異質(zhì)晶核TiAl3的數(shù)量減少，尺寸變大，破壞了中間合金細(xì)化劑的質(zhì)量，造成細(xì)化劑的細(xì)化性能下降[5-6]。

該實(shí)驗(yàn)條件下，添加Mg-Ce合金能改變Al-Ti-B中間合金第二相粒子的尺寸和分布，當(dāng)Mg-Ce合金添加量為1%時(shí)，第二相顆粒尺寸最小且分布均勻。

2.1.2 機(jī)械攪拌對(duì)Al-Ti-B細(xì)化劑顯微組織的影響

采用機(jī)械攪拌作用對(duì)添加1% Mg-Ce的Al-Ti-B細(xì)化劑熔體進(jìn)行進(jìn)一步處理，其顯微組織如圖2所示。

圖2 機(jī)械攪拌1% Mg-Ce的Al-Ti-B組織Fig. 2 Microstructure of 1% Mg-Ce addition of Al-Ti-B refiner

由圖1b和圖2可見，相對(duì)于未攪拌的中間合金，經(jīng)過攪拌的Al-Ti-B細(xì)化劑第二相粒子更均勻彌散分布于鋁基體上。這主要和機(jī)械攪拌的復(fù)合作用有關(guān)，凝固析出相的形貌是短條狀和粒狀，并且相對(duì)于未機(jī)械攪拌的晶粒尺寸有所變小。機(jī)械攪拌對(duì)Al-Ti-B合金不僅起到細(xì)化TiAl3的作用，還能抑制TiB2粒子的長(zhǎng)大，減弱粒子聚集成團(tuán)的趨勢(shì)，因而可以從根本上提高TiAl3和TiB2粒子的分散性[7]。

2.2 細(xì)化行為分析

2.2.1 細(xì)化劑相組成

為研究細(xì)化劑中不同相的成分，對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1% Mg-Ce的Al-Ti-B細(xì)化劑進(jìn)行組織成分分析，合金析出相(十字星位置)和基體的SEM圖像如圖3所示。

圖3 1%Mg-Ce的Al-Ti-B微觀組織SEM能譜成分點(diǎn)Fig. 3 Microstructure and SEM point analysis of 1% Mg-Ce for Al-Ti-B refiner

由圖3可見，白色塊狀的第二相呈顆粒彌散分布，其主要由元素Al、Ti、Ce構(gòu)成，該第二相為TiAl3。稀土Ce不以游離態(tài)的方式存在于Al基體中，而是以固溶形式存在于TiAl3中，這是因?yàn)镸g-Ce合金中Ce進(jìn)一步改變了鋁熔液中第二相粒子與α-Al基體的潤(rùn)濕角以及α-Al熔體的表面張力所導(dǎo)致。

為進(jìn)一步確定Mg-Ce合金添加到Al-Ti-B細(xì)化劑中對(duì)第二相粒子產(chǎn)生的影響，對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1% Mg-Ce的Al-Ti-B細(xì)化劑進(jìn)行XRD衍射分析，圖4為添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1% Mg-Ce的Al-Ti-B細(xì)化劑的XRD圖譜。由圖4可知，1% Mg-Ce細(xì)化劑的衍射圖在XRD衍射圖譜中主要為TiAl3相與α-Al相，沒有發(fā)現(xiàn)稀土Ce的衍射峰，所以稀土Ce不以游離態(tài)的形式存在于中間合金中，而且沒有發(fā)現(xiàn)Ti2Al20Ce相，可能稀土Ce以其他的Ce化合物的形式存在，由于Ce含量極低，因此未在XRD衍射峰中標(biāo)出。由此，可以判斷TiAl3是Al-Ti-B細(xì)化劑起到異質(zhì)形核的作用的關(guān)鍵，熔煉過程中消除其他粒子聚集沉淀的能力，從而延長(zhǎng)了細(xì)化劑的細(xì)化時(shí)間，起到了提高細(xì)化劑細(xì)化性能的作用[8-10]。

圖4 添加1% Mg-Ce的Al-Ti-B細(xì)化劑的XRD圖譜Fig. 4 XRD analysis of 1% Mg-Ce addition of Al-Ti-B refiner

2.2.2 細(xì)化機(jī)理

為研究細(xì)化劑對(duì)7075鋁合金的細(xì)化效果，制備了3個(gè)7075鋁合金鑄坯試樣，其添加細(xì)化劑分別為0、1% Al-Ti-B-1(Mg-Ce)和機(jī)械攪拌1% Al-Ti-B-1(Mg-Ce)，3個(gè)7075鋁合金鑄坯試樣金相照片如圖5所示。

由圖5a可以看出，7075鑄坯原始晶粒尺寸為200～300 μm。由圖5b可以看出，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的Al-Ti-B-1(Mg-Ce)細(xì)化劑的添加明顯使7075鑄坯的晶粒明顯細(xì)化，晶粒尺寸為100～150 μm。這是因?yàn)锳l-Ti-B-1(Mg-Ce)細(xì)化劑使晶粒形核時(shí)抑制其長(zhǎng)大，形核數(shù)增加，從而使得晶粒更加的細(xì)小，細(xì)化了7075鑄坯的組織。由圖5c可以看出，向7075鑄坯中添加機(jī)械攪拌處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的Al-Ti-B-1(Mg-Ce)細(xì)化劑后，鑄坯晶粒尺寸為50～80 μm，說明復(fù)合機(jī)械攪拌作用的細(xì)化劑比未進(jìn)行復(fù)合攪拌作用的細(xì)化劑細(xì)化效果更強(qiáng)。這是由于機(jī)械攪拌使細(xì)化劑的第二相組織均勻分布，所以導(dǎo)致將其添加到鋁合金后獲得更多的異質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了其細(xì)化能力。

3 結(jié) 論

(1)該實(shí)驗(yàn)條件下，向Al-Ti-B中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的Mg-30Ce后，Al-Ti-B細(xì)化劑中的第二相TiAl3尺寸顯著降低，分布彌散均勻。但是隨著Mg-30Ce添加量的增加，析出第二相相尺寸反而增大。

(2)向7075鋁合金中添加Al-Ti-B-1(Mg-Ce)細(xì)化劑可明顯細(xì)化7075鋁合金的晶粒尺寸，經(jīng)過機(jī)械攪拌復(fù)合處理的Al-Ti-B-1(Mg-Ce)細(xì)化劑的第二相粒子更細(xì)小，分布更均勻彌散，對(duì)7075鋁合金的細(xì)化能力更強(qiáng)。