Al-Ti-C基中間合金的合成及其細(xì)化效果研究.pdf

1、經(jīng)過(guò)研究已發(fā)展出多種提高金屬材料強(qiáng)度的有效途徑，但隨著材料強(qiáng)度的提高，韌度或塑性急劇下降，從而使材料強(qiáng)度和韌度或塑性相互倒置的關(guān)系成為十分突出的問(wèn)題，形成妨礙學(xué)科進(jìn)步和實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)巨大障礙和技術(shù)瓶頸。如何實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和韌度或塑性的同步提高，已成為國(guó)內(nèi)外金屬材料領(lǐng)域普遍關(guān)注的重大科學(xué)問(wèn)題。
　　 在金屬材料的研究中，純凈化、細(xì)晶化和均質(zhì)化是改進(jìn)傳統(tǒng)材料和研制新型合金的三大工藝手段。鋁鎂及其合金組織的細(xì)化是現(xiàn)代鋁鎂加工業(yè)中廣泛研究的重

2、大課題，晶粒細(xì)化是晶界強(qiáng)化的重要機(jī)制，可顯著提高鋁鎂材的力學(xué)性能和塑性變形能力，是改善鋁鎂材質(zhì)量的重要途徑。通過(guò)加入晶粒細(xì)化劑抑制柱狀晶和羽狀晶的生長(zhǎng)，從而生成等軸晶組織，這種處理方法在鋁鎂加工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。A1-Ti-C中間合金是一種高效的鋁及其合金晶粒細(xì)化劑，具有Al-Ti-B中間合金晶粒細(xì)化劑無(wú)法比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，它的出現(xiàn)是鋁及其合金晶粒細(xì)化技術(shù)的一項(xiàng)重大突破，引起世界各國(guó)的高度重視，對(duì)此開(kāi)展研究具有重要的理論研究意義和工程應(yīng)

3、用價(jià)值。
　　 熔體引爆自蔓延合成法因其具有合成迅速、工藝簡(jiǎn)單、節(jié)省能源等優(yōu)勢(shì)成為制備中間合金的一項(xiàng)新技術(shù)。特別是在新一代鋁鎂及其合金晶粒細(xì)化劑Al-Ti-C-X中間合金的制備中更顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性，然而熔體引爆自蔓延合成法較好地解決了產(chǎn)物TiC、TiAl3、AlX等化合物含量低、細(xì)化相分布不均等問(wèn)題。盡管自蔓延高溫合成技術(shù)(SHS)制備各種復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)陶瓷、功能梯度材料的研究已取得很大進(jìn)展，但是對(duì)熔體引爆自蔓延合成法制備Al

4、-Ti-C-X中間合金晶粒細(xì)化劑的反應(yīng)過(guò)程、組織轉(zhuǎn)變及結(jié)構(gòu)演化規(guī)律研究甚少,論文在省基金項(xiàng)目的支持下,進(jìn)行以下幾方面的研究。
　　 論文利用自蔓延高溫合成技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，將其和普通鑄造法相結(jié)合，將各種粉狀組成材料壓制成預(yù)制塊，將其壓入到鋁熔體中，利用熔體熱量將預(yù)制塊引爆發(fā)生高溫自蔓延反應(yīng)來(lái)合成Al-Ti-C中間合金晶粒細(xì)化劑。通過(guò)對(duì)預(yù)制塊中 [Ti]-C反應(yīng)的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析研究并采用普通光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀、透

5、射電鏡等分析手段對(duì)Al-Ti-C中間合金晶粒細(xì)化劑進(jìn)行分析研究和表征。研究發(fā)現(xiàn)：在本實(shí)驗(yàn)條件下，影響Al-Ti-C反應(yīng)速度的主要因素有體系的溫度、鋁粉的含量、石墨粉原始粒度和石墨粉顆粒周?chē)磻?yīng)層的厚度，在高溫區(qū)內(nèi)，增加體系的溫度，減小過(guò)量Al含量，減小石墨粉顆粒的尺寸，減小反應(yīng)層厚度等，則對(duì)Al-Ti-C體系內(nèi)高溫區(qū)所發(fā)生的[Ti]-C反應(yīng)是有利的。
　　 論文在對(duì)Al-Ti-C中間合金晶粒細(xì)化劑制備研究的基礎(chǔ)上，然后以此合金為

6、基礎(chǔ)，通過(guò)加入適量稀土Y、La和元素P，采用熔體引爆自蔓延合成法制備出Al-Ti-C-X(X為Y、La、P)復(fù)合中間合金晶粒細(xì)化劑。而后將這種Al-Ti-C-X復(fù)合中間合金晶粒細(xì)化劑加入相應(yīng)的鋁鎂合金中進(jìn)行細(xì)化變質(zhì)處理，以期獲得細(xì)晶化與強(qiáng)韌化的高強(qiáng)度鋁鎂合金材料。論文研究了Al-Ti-C-X復(fù)合中間合金的合成、組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和遺傳效應(yīng)以及對(duì)鋁鎂合金組織和性能的影響及其作用規(guī)律，探討了Al-Ti-C-X復(fù)合中間合金增強(qiáng)鋁鎂合金的微觀本質(zhì)。<

7、br>　　 論文研究了潤(rùn)濕性對(duì)TiC合成的重要性，研究發(fā)現(xiàn)：為了改善碳與鋁液的潤(rùn)濕性，必須采取措施對(duì)石墨的表面進(jìn)行特殊浸泡預(yù)處理，并加入適量的特種活化劑，以改善鋁液的界面張力，從而進(jìn)一步改善碳和鋁液之間的潤(rùn)濕性，為了滿足不同合金細(xì)化變質(zhì)的需要，也為了進(jìn)一步改善石墨在鋁液中的潤(rùn)濕性，促進(jìn)TiC的生成，加入適量稀土Y、La和元素P，形成Al-Ti-C-X復(fù)合中間合金晶粒細(xì)化劑，在該中間合金中除了TiC相外，還有AlX相形成以滿足不同合金變

8、質(zhì)細(xì)化的需要；研究還發(fā)現(xiàn)，在制備Al-Ti-C-Y中間合金中過(guò)程中，由于Y含量的不同，其相組成也不同，當(dāng)中間合金中含0.5[％]Y時(shí)，是由細(xì)針狀TiAl3+TiC顆粒+α-Al基體三相組所成；當(dāng)中間合金中含1.0[％]Y時(shí)，中間合金是由小塊狀和棒狀TiAl3+TiC顆粒+Al3Y+α-Al四相所組成；而當(dāng)中間合金中含2.0[％]Y時(shí)，中間合金是由長(zhǎng)條狀TiAl3+Al3Y化合物+TiC顆粒+α-Al基體四相所組成。在Al-Ti-C合金中

9、加入La時(shí)，制備出的Al-Ti-C-La中間合金細(xì)化劑主要由TiAl3+TiC+(AlTiLa)+α-Al基體四相所組成；在Al-Ti-C合金中加入P時(shí)，制備出的Al-Ti-C-P中間合金細(xì)化劑主要由TiAl3+TiC+AlP+α-Al基體四相所組成。
　　 為了滿足對(duì)鋁鎂合金細(xì)化和強(qiáng)化的需要，論文以外加方式將Al-Ti-C-X復(fù)合中間合金加入不同的鋁鎂合金中，由于Al3Y、AlP、TiAl3、TiC顆粒可作為有效的結(jié)晶核心質(zhì)點(diǎn)

10、，使被細(xì)化的鋁鎂合金得到細(xì)化，而AlX相既可作為鋁鎂合金的結(jié)晶核心存在，又可對(duì)鋁鎂合金中Al、Mg原子的擴(kuò)散起到阻礙作用，從而改善結(jié)晶組織中離異共晶相的形貌和分布形式，雙重作用的結(jié)果，使鋁鎂合金進(jìn)一步得到細(xì)化和強(qiáng)化，使鋁鎂合金的性能潛力得到進(jìn)一步充分挖掘。
　　 本文經(jīng)過(guò)對(duì)AlX、TiC和由AlX、TiC顆粒增強(qiáng)的鋁鎂合金的制備研究，以及新生細(xì)化相結(jié)構(gòu)演化規(guī)律研究，探明了細(xì)化相在鋁鎂合金結(jié)晶凝固過(guò)程中的遺傳效應(yīng)與細(xì)化變質(zhì)作用行為