Al-Ti-B合金晶粒细化

目录

1、引言 (1)

2、细化原理 (1)

2.1、包晶相图理论 (2)

2.2、碳化物-硼化物理论 (2)

2.3、双重形核理论 (3)

2.4、α-Al晶体增殖理论 (3)

3、合金元素的作用 (3)

3.1、Ti对铝合金熔铸组织的细化作用 (3)

3.2、B对铝合金熔铸组织的细化作用 (4)

3.3、其它杂质元素对铝合金熔铸组织的

细化影响 (4)

4、小结 (5)

5、参考文献 (6)

Al-Ti-B合金晶粒细化

【摘要】铝合金中加入少量Ti和B时,铝合金组织可得到明显细化，合金的强度、韧度、耐磨性、抗疲劳性能及热稳定性等均有所提高。

【关键词】铝钛硼合金晶粒细化合金元素

Al-Ti-B Alloy grain refinement 【Abstract】Aluminum alloy to add a small amount of Ti and B, the refined aluminum alloy group is obviously, the strength of the alloy, toughness, wear resistance, fatigue resistance and thermal stability were improved

【Key words】Al-Ti-B alloy grain refinement alloying elements

1、引言

根据Hall-Petch公式可知，材料的屈服强度和材料的晶粒大小成反比，细小的晶粒尺寸可以有效地提高材料的强度和韧性，同时改善合金的机械加工性能，对于铝在各行业的应用均具有重要的意义

[1]。目前，细化铝合金晶粒的方法主要包括以下4种：

①控制金属凝固时的冷却速度[2]；

②机械物理细化法，包括机械振动和机械搅拌等；

③物理场细化法[3]，如电场、磁场和超声波处理等；

④化学细化法，加入各种晶粒细化剂，促进铝及合金的形核或抑

制晶核长大。

在工业生产中，细化晶粒尺寸最常用的方法是化学细化法，即在熔融的铝液中加入晶粒细化剂，起到异质形核的作用，进而细化晶粒尺寸。铝钛硼合金晶粒细化是铝加工业普遍采用的晶粒细化方法，对铝合金的铸态组织具有强烈的细化作用。它可以使合金成份均匀，加快铸造速度，减少裂纹，消除羽毛状晶和冷隔。在随后的压力加工过程中，还可以提高铝板的力学性能，减小板材的变形织构和各向异性，提高板材的深冲性能和成品率。铝钛硼的组织对铸态晶粒的细化效果起关键性作用。

2、细化机理

由于铝合金的细化过程非常复杂，与熔炼条件和铸造条件相关，且容易受到杂质元素的影响，导致细化效果发生改变。因此，仍没有一种理论能较全面的解释整个细化过程。目前，铝晶粒细化的细化理论主要包括[4]：包晶相图理论、碳化物-硼化物、双形核理论、α-Al 晶体增殖理论、超形核理论等。

2.1、包晶相图理论

1951年，Crossley和Mondolfo提出了包晶相图理论。以Al-Ti 相图（如图1）中的包晶反应为基础，在TiAl3溶解过程中，未溶解

的TiAl3周围形成Ti的扩散区，当Ti的浓度达到0.15%，且温度为

665 ℃，基体与TiAl3会发生包晶反应，从而细化晶粒。但并没有解释B对细化的强化作用。

Fig.1 The Al-rich end of Al-Ti binary phase diagram

2.2、碳化物-硼化物理论

最早由Cibula和Jones提出，由于TiC和TiB2与铝的晶体结构

相似，晶格常数相近，是Al异质形核的理想晶核。Kiusalaas和Bakerud在前人研究的基础上提出了亚稳定相理论，该理论认为中间

合金A1-Ti-B加入铝熔体中，起细化作用的是(Al，Ti) B2亚稳定相：TiB2+Al→(A1，Ti) B2+Ti；

Ti+3Al→TiAl3。

姜文辉和韩行霖[5]的实验结果表明：TiC粒子团可以作为α-Al 的有效异质核心，但单独的TiC粒子无法起到促进形核的作用。由于TiC粒子表面曲率较大且表面凸起，会降低其形核能力。但是TiC粒子团具有较低的表面曲率，且粒子团表面为凹面，容易在凹陷处富集Ti原子，形成Ti原子富集区，促进与α-Al的形核。

2.3、双重形核理论

由Mohanty等[6]人提出，该理论认为：加入Al-Ti-B中间合金后，TiAl3很快溶解，而TiB2具有较高的熔点，不会溶解，且Ti

在Al熔体中和Ti在TiB2表面存在一定的活度梯度，从而使Ti向

Al- TiB2界面进行迁移，由于TiAl3与TiB2具有良好的晶格匹配关

系，因此，在TiB2的表面会逐渐形成TiAl3,随着铝熔体温度不断降

低，TiAl3表面发生包晶反应，生成α-Al，细化了合金的晶粒。

2.4、α-Al晶体增殖理论

双重形核理论日本大野笃美首先提出α-Al晶体增值理论。增殖作用是指合金中某些元素能促进模壁上晶体的根部和树枝晶根部形成颈缩，而易于熔断脱落，变成新的结晶核心，且颈缩程度与固-液界面附近溶质的偏析程度有关。偏析程度的大小通常用溶质偏析系数

|1- K0|来描述，其中K0为溶质平衡分配系数。无论溶质平衡分配系数K0>1或K0<1，只要|1- K0|越大，则偏析程度就越大，其细化

作用也就越大。钛的偏析系数为7，远远大于铝合金中常用元素及杂质的偏析系数[5]。因此，Ti是理想的铝合金细化剂。该理论简单的

说来大致如下：TiAl3异质晶核促进了α-Al核的生成，或者促进了

α-Al树枝晶晶体的增殖。Ti能使铸模壁上或熔体面上生成的初晶易于分离，而B的作用使这样分离生成的初晶增多。

3、合金元素的作用

3.1、Ti对铝合金熔铸组织的细化作用

钛是第四周期第四族中的过渡无素，其化学活泼性极高，易与氧、氢、氮、碳等元素形成稳定的化合物。882℃以下，钛具有六方点阵，点阵数为a=0.2953μm，c=0.4729μm，钛在铝中一部分与铝以固溶

体形式存在，部分以TiAl3化合物形式存在。根据非均匀形核理论

[7]，在合金熔液中，变质剂要产生细化作用时，它与熔液的组分之一应形成一种固态化合物，该化合物与基体晶粒结构相似，尺寸相当，即满足“点阵匹配原理”，才可能对形核起到催化作用，它本身才是

良好的形核剂。铝合金中TiAl3属四方晶格，点阵常数a=0.3875μm，其晶体结构与Al 基体（面心立方，a=0.405μm）相似，晶格常数错配度小于9％，符合作为良好的非均匀异质晶核。TiAl3的晶体有片