燃燒合成Al-Ti-C結(jié)構(gòu)宏觀動(dòng)力學(xué)及Al-Ti-C細(xì)化效果評(píng)價(jià).pdf

1、燃燒合成(SHS、CS)因其合成迅速、工藝簡單、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)成為制備化合物及復(fù)合材料的新技術(shù)。特別是在新一代鋁及鋁合金晶粒細(xì)化劑Al-Ti-C中間合金的制備中顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性，燃燒合成方法較好地解決了產(chǎn)物TiC含量低、細(xì)化相Al3Ti、TiC分布不均等問題。雖然燃燒合成法制備Al/TiC復(fù)合材料的研究已取得很大進(jìn)展，但是對(duì)燃燒合成Al-Ti-C中間合金晶粒細(xì)化劑的反應(yīng)過程、組織轉(zhuǎn)變規(guī)律及結(jié)構(gòu)形成機(jī)理研究甚少，燃燒合成法制備的Al-Ti-

2、C中間合金還未曾接受工業(yè)化應(yīng)用評(píng)價(jià)。本文在國家“863計(jì)劃”新材料技術(shù)領(lǐng)域：新型鋁及鋁合金品粒細(xì)化合金Al-Ti-C及其線材(2003AA33X050)項(xiàng)目的支持下，進(jìn)行以下方面研究： 本文用熱力學(xué)理論，計(jì)算了Al-Ti-C燃燒合成反應(yīng)的絕熱溫度，發(fā)現(xiàn)絕熱溫度與預(yù)熱溫度大致呈線性關(guān)系，預(yù)熱溫度提高，反應(yīng)的絕熱溫度也相應(yīng)提高，燃燒合成制備Al-Ti-C中間合金的預(yù)熱溫度應(yīng)大于633K。 采用自蔓延合成、熱爆合成及鋁液中熱爆

3、合成等三種模式制備了Al-Ti-C中間合金，并對(duì)其反應(yīng)過程進(jìn)行了比較，掌握了制備Al-Ti-C中間合金的不同工藝要求。探討了工藝參數(shù)對(duì)自蔓延合成Al-Ti-C中間合金的合成過程、產(chǎn)物相組成及組織形貌的影響，主要包括原料Ti/C比、壓坯壓力、壓坯直徑、預(yù)熱溫度、碳粉與Ti粉粒度等。發(fā)現(xiàn)自蔓延模式制備的Al-Ti-C中間合金組織形態(tài)優(yōu)于熱爆模式。原料Ti/C比是決定產(chǎn)物中TiC、Al3Ti相數(shù)量與分布形態(tài)的關(guān)鍵，壓坯壓力、預(yù)熱溫度、碳粉與T

4、i粉粒度等對(duì)燃燒溫度和產(chǎn)物組織形貌有顯著影響。探討了鋁液中熱爆合成Al-Ti-C中間合金的鋁液溫度、Al含量等工藝參數(shù)對(duì)反應(yīng)過程以及對(duì)產(chǎn)物相組成及組織形貌的影響，發(fā)現(xiàn)隨著鋁液溫度提高、Al含量降低，反應(yīng)體系燃燒溫度升高，中間合金中Al3Ti相數(shù)量減少，由細(xì)小塊狀向粗大棒狀轉(zhuǎn)變，TiC數(shù)量增多，并出現(xiàn)聚集長大現(xiàn)象。 在873-1473K范圍內(nèi)對(duì)Al-Ti-C體系進(jìn)行高溫X衍射分析，結(jié)合反應(yīng)產(chǎn)物斷面形貌SEM觀察，研究Al-Ti-C

5、體系組織轉(zhuǎn)變過程，結(jié)果表明：試樣中Al熔化前未發(fā)生Al、Ti間的固-固擴(kuò)散反應(yīng)，873K時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物中無Al3Ti生成：973K時(shí)出現(xiàn)Al3Ti，1173K時(shí)TiC形成。 利用圓柱體鋼模具成功淬熄了自蔓延合成Al-Ti-C中間合金時(shí)壓坯中的燃燒波，得到了不同反應(yīng)程度的產(chǎn)物微區(qū)形貌；另外，通過1073-1173K鋁熔體中熱爆合成Al-Ti-C反應(yīng)壓坯的淬熄實(shí)驗(yàn)，得到不同反應(yīng)階段的淬熄組織。通過對(duì)不同淬熄區(qū)的產(chǎn)物進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試分析，認(rèn)

6、為燃燒合成Al-Ti-C中間合金的反應(yīng)過程大致分為以下幾個(gè)階段：①預(yù)熱階段的Al熔化過程；②初始反應(yīng)階段的Al-Ti反應(yīng)并析出Al3Ti過程；③完全反應(yīng)階段Al3Ti分解，Ti-C反應(yīng)過程④燃燒完成階段的產(chǎn)物冷卻結(jié)晶過程。提出燃燒合成Al-Ti-C中間合金過程中Al3Ti的形成反應(yīng)符合反應(yīng)-溶解-析出機(jī)制，即Al熔化后向Ti擴(kuò)散，發(fā)生放熱反應(yīng)3Al(l)+Ti(s)=Al3Ti(s)，最后從飽和Al-Ti熔體中析出Al3Ti:而TiC形

7、成反應(yīng)存在擴(kuò)散-析出、溶解-析出兩種機(jī)制，即①擴(kuò)散-析出機(jī)制：在低溫區(qū)間，Al3Ti分解形成活性Ti原子，被碳吸附形成TiCx層，然后Ti、C沿相反方向同時(shí)向TiCx層中擴(kuò)散，發(fā)生放熱反應(yīng)[Ti]+C(s)=TiC(s)，至TiCx中C濃度達(dá)飽和時(shí)析出TiC粒子；②溶解-析出機(jī)制：在高溫區(qū)間，達(dá)到1613K后Al3Ti熔化形成Al-Ti層，C溶解其中形成Al-Ti-C熔體，發(fā)生放熱反應(yīng)[Ti]+C(s)=TiC(s)最終TiC從飽和Al

8、-Ti-C熔體析出長大。 通過對(duì)自蔓延合成Al-Ti-C中間合金的稀釋工藝(壓坯壓力、鋁液溫度、保溫時(shí)間等)研究，獲得適合工業(yè)化批量生產(chǎn)的稀釋工藝參數(shù)；基于實(shí)驗(yàn)室中對(duì)Al-Ti-C合金的制備、組織形態(tài)及細(xì)化性能評(píng)價(jià)結(jié)果，采用自蔓延合成方法制備20kg新型Al-Ti-C合金鑄錠，并擠壓加工為中間合金絲。新型Al-Ti-C合金絲由Al-TiC-Al3Ti組成，TiC為球形顆粒，尺寸0.5-1.5μm；Al3Ti為塊狀，尺寸8-20μ