Al-Ti-C晶粒細(xì)化劑的制備及其微觀組織與細(xì)化機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、Al-Ti-C是一種高效的鋁及其合金晶粒細(xì)化劑，具有優(yōu)異的細(xì)化效果和抗細(xì)化衰減能力，并對(duì)含Zr、Cr、Mn、V等元素的鋁合金有“中毒免疫”作用，成為取代Al-Ti-B的新一代晶粒細(xì)化劑。 本文針對(duì)Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑存在的弊端，以及Al-Ti-C制備過(guò)程中Al、C潤(rùn)濕及TiC粒子活化的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，特制了LSR和SHS反應(yīng)劑，通過(guò)液固反應(yīng)和自蔓延高溫合成反應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究，成功地合成了Al-Ti-C晶粒細(xì)化劑合金。在此基礎(chǔ)上，采用

2、理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對(duì)Al-Ti-C合成過(guò)程的熔體反應(yīng)機(jī)制、反應(yīng)條件對(duì)晶粒細(xì)化劑合金微觀組織的影響規(guī)律、連續(xù)鑄擠成形過(guò)程的組織演化、形核特性與細(xì)化機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究，進(jìn)而探討了TiAl3和TiC的形成機(jī)制，確定了使TiC粒子具有形核活性的熱力學(xué)條件，建立了熔體反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型及TiC粒子對(duì)凝固過(guò)程α-Al形核、長(zhǎng)大的作用機(jī)制模型，解析了α-Al形核與細(xì)化機(jī)制，為Al-Ti-C晶粒細(xì)化劑合金的實(shí)際應(yīng)用奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

3、 本文的主要工作及研究成果如下：1)采用液固反應(yīng)(LSR)法合成Al-Ti-C晶粒細(xì)化劑合金中，借助溶劑R的潤(rùn)濕，熱活化及分散作用，通過(guò)實(shí)驗(yàn)與計(jì)算確認(rèn)，當(dāng)Al熔體溫度在900℃以下時(shí)，可以形成TiAl3和TiC粒子，進(jìn)而，提出了TiAl3和TiC形成的溶解—析出機(jī)制，建立了熔體反應(yīng)的宏觀動(dòng)力學(xué)模型 固液反應(yīng)制備Al-Ti-C晶粒細(xì)化劑合金過(guò)程中，LSR反應(yīng)劑在Al熔體的熱流擾動(dòng)作用下分散，并在強(qiáng)對(duì)流作用下形成無(wú)數(shù)反應(yīng)微元體，

4、在微元體與Al熔體界面上發(fā)生鋁熱反應(yīng)，形成局部高溫微區(qū)，并還原出活性Ti，直接和C源反應(yīng)生成TiC粒子族。固液反應(yīng)由三組基元反應(yīng)構(gòu)成，固液反應(yīng)合成TiAl3和TiC可分別視為二個(gè)基元反應(yīng)組合成的串聯(lián)反應(yīng)，并通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)反應(yīng)速率，建立了液固反應(yīng)的宏觀動(dòng)力學(xué)模型； 2)采用自蔓延合成技術(shù)(SHS)制備Al-Ti-C晶粒細(xì)化劑合金中，對(duì)SHS反應(yīng)劑SHS自蔓延合成過(guò)程可能發(fā)生的初始反應(yīng)和派生反應(yīng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析，表明最穩(wěn)定的化合物是T

5、iC，原子態(tài)的Ti等只是初始反應(yīng)階段的中間產(chǎn)物，而中間產(chǎn)物可以通過(guò)派生反應(yīng)向TiC轉(zhuǎn)化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及表觀激活能與反應(yīng)級(jí)數(shù)等動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算，建立了SHS反應(yīng)機(jī)制模型 當(dāng)Al熔體溫度接近830℃時(shí)，出現(xiàn)3Al(1)+Ti(s)=TiAl3(s)的強(qiáng)放熱反應(yīng)，熔體快速升溫并使TiAl3(s)溶解形成活性Ti原子，隨之約1020℃時(shí)，引發(fā)Ti+C(s)=TiC(s)。Al不僅僅是作為一種稀釋劑，也參與了合成反應(yīng)，正是由于3Al(1)

6、、Ti(s)Ti的反應(yīng)，改變了TiC合成反應(yīng)的途徑，降低了反應(yīng)激活能，從而促進(jìn)了TiC的形成； 3)液固反應(yīng)及自蔓延合成反應(yīng)所制備的Al-Ti-C細(xì)化劑合金組織包括α-Al，TiAl3和TiCx三相，TiAl3和TiCx均為非計(jì)量比化合物，TiCx的化學(xué)成分為T(mén)iC05～0.8，熔體在800℃較長(zhǎng)時(shí)間保溫時(shí)，TiC相會(huì)向Al3C4轉(zhuǎn)化，Al3C4粒子的晶格常數(shù)與α-Al的晶格常數(shù)存在較大差別，從而使TiC出現(xiàn)中毒現(xiàn)象；

7、4)構(gòu)建了熔體在強(qiáng)烈剪切/冷卻條件下動(dòng)態(tài)凝固成形的理論框架，通過(guò)對(duì)熔體在強(qiáng)烈剪切/冷卻條件下自由晶TiAl3和TiC粒子遷移行為的實(shí)驗(yàn)研究，闡明了Al-Ti-C晶粒細(xì)化劑合金連續(xù)鑄擠成形過(guò)程的組織演化機(jī)制 TiAl3粒子細(xì)化的有效作用區(qū)域在液固兩相區(qū)和固相區(qū)，“固相剪切及二次剪切球化”是TiAl3粒子細(xì)化的作用機(jī)制，TiC粒子簇的有效分散區(qū)域在液相區(qū)，“液相剪切及潤(rùn)濕分散”是TiC粒子簇的主要分散機(jī)制。與常規(guī)鑄造組織相比，鑄擠成

8、形組織中的TiAl3粒子明顯細(xì)化，TiC粒子的團(tuán)簇分布特征減弱甚至消失，且澆注溫度越低TiAl3粒子的細(xì)化程度越大，但TiC粒子的分散程度隨澆注溫度的降低反而降低； 5)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，建立TiC與TiAl3粒子對(duì)凝固過(guò)程α-Al形核、長(zhǎng)大的作用機(jī)制模型，解析了α-Al形核、長(zhǎng)大與衰減行為 α-Al的形核機(jī)制是，TiCx具有與TiC相同的晶體結(jié)構(gòu)和相近的晶格常數(shù)，Ti原子擴(kuò)散至TiC粒子的表面形成接近TiAl3成分的液相層

9、，在TiAl3凝固過(guò)程中與周圍Al液發(fā)生包晶反應(yīng)形成α-Al晶核。 依據(jù)液固界面穩(wěn)定性判據(jù)，合理解釋了Al-Ti-C晶粒細(xì)化劑合金的細(xì)化機(jī)制，表明Al熔體中Ti含量是決定α-Al長(zhǎng)大速度的主要因素，Ti含量較低時(shí)，表現(xiàn)為其抑制作用較小，且使TiCx的形核活性不足，容易形成柱狀晶組織，而Ti含量較高時(shí)，其抑制作用會(huì)使部分α-Al不能自由生長(zhǎng)，最終形成粗大的等軸晶組織。 Al-Ti-C晶粒細(xì)化劑合金組織中，TiC粒子的體積分