Al-5 Ti-x C e细化剂制备及对Al-7Si合金组织和冲击性能的改善（冶金）

Al-5 Ti-x C e细化剂制备及对Al-7Si合金组织和冲击性能的改善（冶金）

         赵继涛^1,2，尹冬松²，王振清¹，徐海杰²，张春宇³，汤桂珍²，刘洪²

（1．哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，黑龙江哈尔滨150001；2．黑龙江科技大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150022；3．哈尔滨东盛金属材料有限公司，黑龙江哈尔滨150000）

摘要：试验研究了铈含量对细化剂Al-5 Ti-x C e（x分别为0.3，0.6，0.9）微观组织的影响，以及细化剂Al-5Ti-xCe对Al-7Si合金组织和冲击性能的影响。结果表明，稀土C e加入到Al-5Ti合金后，合金基体中的Al₃ Ti的尺寸明显降低，Al₃ Ti形状由长条状转变为羽毛状，并随着稀土C e添加量增加，Al₃ Ti尺寸进一步降低，当Ce的加入量（质量分数，下同）为0.6%时，Al3 Ti尺寸降低至最小，当C e的添加量增至0.9%时，Al3 Ti尺寸不再细化；用不同C e的添加量的Al-5 Ti-x C e细化剂细化Al-7Si合金，发现随着Al-5Ti-xCe中C e的添加量增加，Al-7Si合金中a-Al树枝晶逐渐细化，其中Al-5 Ti-0.6Ce细化剂的细化效果最佳；随着Al-5 Ti-x C e中C e的添加量增加，Al-7Si合金中粗片状的共晶硅逐渐变得细小，其冲击性能随Al-5 Ti-x C e细化剂中铈含量的增加而显著提升，当Al-5 Ti-x C e中C e的添加量增加到0.9%时，冲

击性能不再增加。

关键词：Al-5 Ti细化剂；稀土C e；Al-7Si合金；微观组织；冲击性能

中图分类号：TG146. 21  文章编号：1007 - 7235( 2016) 05  - 0009 - 05   

 铝合金质轻，铸造、焊接等性能良好，且抗蚀性较高，因此在航空航天、汽车工业、电子行业中应用广泛，但是，常规铸造的铝合金及变形铝合金的坯料存在晶粒粗大的问题，引起力学性能降低、偏析、热裂纹和后续压延加工的难度，因此，需要采用相应的技术细化晶粒。

    铝合金的细化方法较多，目前已经广泛认同并用于工业生产的是在铝合金中添加晶粒细化剂，晶粒细化剂的添加方法，初期是以Ti、B、Z r等元素的盐类化合物加入，如K2 TiF6、KBF4等，但是这种方式加入的元素含量不稳定，且产生大量的熔渣，影响铝合金的品质；人们考虑加入Al-Ti块锭和Al-Ti-B块锭，后续为了提高加入效率，又采用加入Al-Ti-B线材的方式进行细化；20世纪90年代后至今，以加入Al-Ti-C和Al-Ti-B-RE为代表的新一代细化剂在铝及铝合金晶粒的细化中应用最为广泛。

    稀土元素是铝合金的有效细化剂和变质剂，我国稀土资源丰富，稀土在铝合金生产中应用，能够充分发挥我国资源优势。在稀土对Al-Ti类细化剂微观组织和细化行为的方面研究，人们做了大量工作。结果表明：稀土元素能够提高Al-Ti类细化剂的细化效果，并降低其衰退时间，主要原因是稀土元素的原子半径较大，远大于铝原子半径，且较为活泼，它溶于铝液中极易填补铝合金中合金相的表面缺陷，易于形成表面活性膜，阻止生成的Al，Ti长大，使合金中的Al₃ Ti相显著细化，从而提高它对铝合金晶粒的细化效果。

    基于上述已有的研究成果，本课题试验研究稀土铈含量对细化剂Al-5Ti-xCe微观组织的影响，及细化剂Al-5 Ti-xCe对Al-7 Si合金微观组织和冲击性能的影响，为高效铝合金细化剂的开发提供试验依据和工艺技术参考。

1  试验材料与方法

1.1细化剂制备

    采用纯铝锭（纯度99. 9%）、钛粉(纯度99.9%)、Al-20Ce中间合金作为原料，按w( Ce)分别为0.3%、0.6%、0. 9%，w(Ti)均为5%配制Al-5Ti-xCe细化剂。在真空感应炉中对Al-5 Ti-xCe熔炼。当配料熔化后，利用电磁场对合金液搅拌5 min，静置2 min后浇人金属模型中，得到制备的细化剂，以备细化Al-7S1合金使用。

1.2对Al-7S1合金细化

    利用井式坩埚电阻炉熔制Al-7 Si合金，采用纯铝锭（纯度99.9%）、硅（纯度99.9%）为原料进行配料，熔炼温度730C。当纯铝锭熔化后，加入硅颗粒，保温20 min，加入质量分数为1%的Al-5 Ti-xCe细化剂，保温20 min后，进行5 min的旋转喷吹除气精炼，浇入砂型型腔中，冷却后取出砂型铸造的试样。

1.3微观组织观察

    利用蔡司金相显微镜对所制备的Al-5Ti-xCe细化剂和细化前后的Al-7Si合金进行金相组织观察，利用JSM-6300LV电子扫描电镜观察浸泡后试样表面形貌，利用扫描电镜所佩带的能谱仪( EDS)分析试样和腐蚀表面产物成分，利用X射线衍射仪分析试样中的相组成。

1.4冲击性能测试

    使用JB-30B型冲击试验机进行夏比冲击试验，采用GB/T229-94规定的标准试件，试件尺寸为10mm x10 mm x55 mm，在其长度中部开有2 mm深的V型缺口。

2  试验结果与分析

2.1微观组织

    不同稀土铈含量的细化剂的金相组织如图1所示。图1中a、b、c、d分别为未加Ce和Ce添加量（质量分数，下同）为0. 3%、0.6%、0.9%的Al-5 Ti-x C e细化剂的金相图片，由图1可知，当不添加C e时，析出相呈条状，尺寸较为粗大，径向尺寸为15m~ 35m，轴向尺寸约为200 m～400 m；当Ce的添加量为0. 3%时，析出相转变为羽毛状，并呈弥散分布；当Ce的添加量为0.6%时，析出相的径向尺寸和轴向尺寸继续降低，并有大量细针状析出相出现；当Ce的添加量为0.9%时,析出相的轴向和径向尺寸不再降低。

    图2a为Al-5 Ti0.6Ce细化剂的扫描电子显微镜图，图2b为凝固析出相的能谱分析结果。可以看出，基体上析出条状及块状的第二相，第二相尺寸大小不一，析出相中Al的原子百分数为75. 92%，Ti的原子百分数为24. 08%；经计算，析出相中的Al与Ti的摩尔分数比约为3:1，根据Al-Ti相图可知，当w( Ti)为5%时会析出Al3Ti相，因此可知该析出相为Al₃Ti相。扫描电镜照片中细小、块状的物质为Al3Ti相，其尺寸在20m左右，局部的Al₃Ti相甚至小于10m。

    由以上试验结果可以看出，Al-5Ti细化剂中析出相随稀土Ce元素添加而发生明显的变化，析出相的尺寸显著降低，形状也发生变化；这是由于稀土Ce在铝中的固溶度很小，当其凝固时，若在a-Al和Al₃ Ti粒子界面处析出，则阻碍Al₃ Ti的长大和偏聚，从而获得细小、块状的Al₃Ti相。另外，稀土是一种表面活性物质，它的特殊性能决定了它容易吸附或偏聚在铝或铝熔体晶界和相面上，使得原本晶面上存在的一些缺陷被稀土元素所填补，对第二相粒子的聚集和长大过程都形成了障碍，因此更容易获得细小和均匀的异质晶核。

2.2细化行为

    Al-Ti类细化剂对铝合金晶粒的细化机制主要是Al₃Ti能够作为异质形核质点，从而细化铝合金晶粒。发生的反应如下：L+ Al₃ Ti-*a( Al)。该反应为包晶反应，在凝固过程中，a( Al)得到细化。Al₃Ti的尺寸越细小、越弥散，铝合金的晶粒尺寸就越小。

    添加Ce后，细化剂中的Al3 Ti尺寸发生变化，细化晶粒的效果必然受到影响，为了验证制备的Al-STi-xCe细化剂对铝合金晶粒的细化效果，采用Al-7S1合金作为细化对象，在与工业生产相同的条件下，将不同Ce添加量的细化剂添加到Al-7 Si合金熔体中，考察它们的细化效果。

    图3所示为在730℃Al-7 Si合金熔体中添加质量分数1%的Al-5 Ti-xCe（x分别为0.3，0.6，0.9）细化剂后的合金显微组织。由图3a可知，添加不含Ce细化剂的Al-7 Si合金组织中分布着粗大的初生a-Al树枝晶，并具有较大的长径比，枝晶之间存在大量的共晶硅，较为粗大，呈层片状分布，局部区域存在少量短棒状共晶硅。由图3b可知，添加Al-5 Ti-0.3 Ce细化剂后，一次枝晶和二次枝晶尺寸明显下降，且枝晶的长径比也显著降低，层片状共晶硅转变为短棒状；当添加Al-5 Ti-0.6 Ce后，Al-7 Si合金的树枝晶尺寸继续变小，枝晶臂尺寸也随之减小，共晶硅相转变为粒状；当添加Al-5Ti-0. 9Ce后与添加Al-5Ti-0. 6Ce后的相比较，两种情况下Al-7 Si合金的a-Al枝晶尺寸和共晶硅的差别都不明显。

    综上可以看出，在Al-5 Ti细化剂中添加稀土Ce，对Al-7 Si合金中a( Al)树枝晶的细化效果显著提高，并且也改善了Al-7 Si合金基体中的共晶硅形貌。这主要是，随着Ce添加量增加，Al-5 Ti合金中的Al3Ti尺寸显著降低，单位质量内，细化剂提供的异质形核质点显著增加所致；共晶硅形貌的改变，则可能是稀土C 作为大半径原子，易于富集于共晶硅和铝液界面前沿，形成活性膜层，阻碍了共晶硅的长大。

2.3冲击性能

    表1中S1~S4试样是经Al-Ti-x  (x分别为0，0.3，0.6，0.9)细化后AI-7S1合金的4组试样，其冲击试验结果可以看出，从S1到S3试样的冲击韧性值逐渐增大，S3试样的冲击韧性最大，达到28.95 J/cm2，较S1试样的冲击韧性提高了53. 5%。S4试样和S1试样的冲击韧性接近。这是由于S3试样基体中的a-Al树枝晶得到显著细化，且共晶硅由原来的针片状变为粒状的原因。可见，向铝合金中添加1%质量分数的Al-5 Ti-xCe细化剂可以提高Al-7S1合金的冲击韧性，从而可以提高该合金材料的抵抗变形和断裂的能力。

3  结  论

    1)稀土Ce对Al-5Ti-xCe细化剂的微观组织有细化作用，随着稀土Ce添加量的增加，细化剂中的Al3Ti尺寸显著降低；当添加量为w(Ce) =0.6%时，细化效果最明显；

    2)添加质量分数为1% Al-5Ti细化剂后的Al-7S1合金与添加质量分数为1%Al-5 Ti-xCe细化剂后的Al-7 Si合金相比较，后者基体中的初生a(Al-)树枝晶显著细化，共晶硅也明显更细小，其中Al-5 Ti-0.6Ce细化剂对Al_ 7Si合金的细化效果最好；

    3)添加质量分数为1% Al-5Ti细化剂后的Al-7Si合金与添加质量分数为1%的Al-5Ti-xCe细化剂后的Al-7Si合金相比较，后者的冲击韧性显著增加，其中添加质量分数为1% Al-5T1-0. 6Ce细化剂的Al-7Si合金的冲击韧性提高了53.5%。