Al-5Ti-0.2C細化劑對5356鋁合金顯微組織和力學性能的影響

，，

(廣西大學資源環境與材料學院，南寧 530004)

0 引 言

5356鋁合金是以鎂為主要合金元素的變形鋁合金，具有密度小、焊接性能和耐腐蝕性能優異、與大多數鋁合金兼容性好等優點，作為焊絲廣泛應用于大型機車廂體、化工容器、交通運輸行業中鋁合金材料的焊接[1-3]。我國生產的5356鋁合金焊絲在拉拔過程中容易出現拉斷現象，這主要是由于鋁合金焊絲中氧化雜質含量高、晶粒細化效果差、枝晶偏析嚴重，導致其塑性和韌性下降[4-6]。目前，我國所用的高端鋁合金焊絲絕大部分依賴進口，生產技術被發達國家壟斷，因此為了掌握自主技術，我國研究者不斷進行新型焊絲的研發[7-9]。有研究發現，在5356鋁合金熔煉過程中添加一些細化劑，能夠改善枝晶偏析、細化晶粒，并提高鋁合金的強度、塑性和韌性[10]。目前，工業上廣泛應用的晶粒細化劑主要包括Al-Ti-B、Al-Ti-B-Re、Al-Ti-C和Al-Ti-C-B。由于Al-Ti-B細化劑中的鈦元素會與鋁合金中的鋯、鉻、錳等元素發生反應，導致其細化作用減弱甚至失效，而A1-Ti-C細化劑中的異質形核核心TiC比Al-Ti-B的TiB2具有更小的聚集傾向，不會與鋯、鉻、錳等元素發生反應，在相同含量及相同處理條件下，Al-Ti-C比A1-Ti-B的細化效果更好。因此，作者將Al-5Ti-0.2C細化劑加入到5356鋁合金熔體中，研究了該細化劑質量分數和細化保溫時間對5356鋁合金顯微組織和力學性能的影響。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗原材料包括高純鋁錠(純度99.99%)、AlMg20中間合金、AlMn20中間合金、AlCr2中間合金、AlTi10中間合金、精煉劑C2Cl6、覆蓋劑(組成為KCl，MgCl2，CaCl2，CaF2)、耐火涂料(主要組成為ZnO，Na2SiO3)和Al-5Ti-0.2C細化劑，均為市售。

按照表1中5356鋁合金的化學成分進行配料，在SG2-12-13坩堝井式電阻爐中熔煉，溫度為700～750 ℃。經除氣、扒渣后加入質量分數分別為0.1%，0.2%，0.3%，0.5%的Al-5Ti-0.2C細化劑，分別保溫5，10，15，20，25 min，然后澆入到φ18 mm×130 mm的模具中。待鋁合金鑄錠冷卻后，采用電火花切割機加工成φ18 mm×10 mm的試樣。

表1 5356鋁合金的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical composition of 5356 aluminumalloy (mass) %

1.2 試驗方法

采用Phenom ProX型掃描電鏡(SEM)及X-Max型能譜儀(EDS)對Al-5Ti-0.2C細化劑的微觀形貌和化學成分進行觀察和分析。

采用Keller試劑(HF、HCl、HNO3、H2O的體積比為1∶1.5∶2.5∶95)對試樣進行腐蝕，腐蝕時間為30～60 s，在BH200MR型光學顯微鏡和Phenom ProX型掃描電鏡上觀察顯微組織。

按照GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測定方法》，利用MIAPS-M軟件計算出顯微組織中晶粒的平均截距，評定試樣的晶粒度。

按照GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》，在W-100型萬能材料試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速度為2 mm·min-1，拉伸試樣的形狀與尺寸如圖1所示。

圖1 拉伸試樣的形狀與尺寸Fig.1 Shape and size of tensile specimen

按照GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，在AMSLER RKP450型示波沖擊試驗機進行室溫沖擊試驗，缺口沖擊試樣的形狀與尺寸如圖2所示。

圖2 沖擊試樣的形狀與尺寸Fig.2 Shape and size of impact specimen

2 試驗結果與討論

2.1 細化劑的SEM形貌

由圖3可以看出：細化劑中主要包括大量均勻分布的不規則的白色塊狀相，同時還存在一些彌散分布的極為細小的白色顆粒相；白色塊狀相為鋁和鈦元素形成的相，鋁鈦原子比為3∶1，可以判斷其為Al3Ti；細小的白色顆粒相為鈦和碳元素形成的相，鈦碳原子比為1∶1，可以判斷其為TiC。彌散分布的TiC是影響晶粒細化的關鍵因素[11]。

2.2 對顯微組織的影響

2.2.1 細化劑添加量的影響

由圖4可知:當未添加細化劑時，5356鋁合金組織中有大量的粗大樹枝晶，當添加細化劑后，晶粒得到不同程度的細化；隨著細化劑質量分數的增加，晶粒尺寸先減小后增大，當細化劑質量分數為0.3%時，晶粒尺寸最小。由圖5可以看出：當細化劑質量分數由0增加到0.3%時，鋁合金組織中晶粒的平均截距逐漸減小，由28.2 μm減小到12.8 μm；當細化劑質量分數為0.3%時，晶粒的平均截距最小，晶粒尺寸最小，細化劑的細化效果最佳；當細化劑質量分數大于0.3%時，晶粒的平均截距逐漸增大，晶粒尺寸增大，細化劑的細化效果減弱；當細化劑質量分數為0.5%時，晶粒的平均截距為21 μm，晶粒粗大，細化劑的細化效果明顯降低，但晶粒尺寸仍小于未添加細化劑的。

圖3 Al-5Ti-0.2C細化劑的SEM形貌及能譜分析結果Fig.3 SEM morphology and energy spectra analysis results of Al-5Ti-0.2C refiner: (a) SEM morphology at low magnification; (b) SEM morphology at high magnification; (c) energy spectrum analysis results of position 1 and (d) energy spectrum analysis results of position 2

圖4 細化保溫15 min后添加不同質量分數Al-5Ti-0.2C細化劑5356鋁合金的顯微組織Fig.4 Microstructures of 5356 aluminum alloy containing different mass fractions of Al-5Ti-0.2C refiner after refinement holding for 15 min

2.2.2 細化保溫時間的影響

由圖6～圖7可以看出：隨著細化保溫時間的延長，鋁合金組織中晶粒的平均截距先減小后增大，晶粒尺寸先減小后增大；當保溫5～15 min時，隨著保溫時間的延長，晶粒尺寸變小，其平均截距迅速減小；當保溫15 min時，晶粒的平均截距最小，為12.6 μm，晶粒最細小，細化劑的細化效果最明顯；當細化保溫時間超過15 min后，隨著細化保溫時間的延長，晶粒的平均截距增大，晶粒變得粗大，細化劑的細化效果變差。

圖5 細化保溫15 min后添加不同質量分數Al-5Ti-0.2C細化劑5356鋁合金晶粒的平均截距Fig.5 Average intercept of the grains of 5356 aluminum alloy containing different mass fractions of Al-5Ti-0.2C refiner after refinement holding for 15 min

2.3 對力學性能的影響

2.3.1 細化劑添加量的影響

由表5可以看出：鋁合金力學性能的變化趨勢基本符合晶粒尺寸的變化趨勢，與未添加細化劑的鋁合金相比，添加細化劑鋁合金的抗拉強度均得到了提高;當細化劑質量分數為0.3%時，鋁合金的抗拉強度和伸長率均最大，分別為213.67 MPa和9.75%，比未添加細化劑鋁合金的分別提高了50.6%和112%；當細化劑質量分數超過0.3%后，抗拉強度和伸長率均呈下降趨勢；添加細化劑后，鋁合金的沖擊吸收功有所提高，最大值為25.0 J，這說明鋁合金的韌性得到了提高。

圖6 細化保溫不同時間后添加質量分數0.3%Al-5Ti-0.2C細化劑5356鋁合金的顯微組織Fig.6 Microstructures of 5356 aluminum alloy containing 0.3wt% Al-5Ti-0.2C refiner after refinement holding for different times

表5細化保溫15min后添加不同質量分數Al-5Ti-0.2C細化劑5356鋁合金的力學性能

Tab.5Mechanicalpropertiesof5356aluminumalloycontainingdifferentmassfractionsofAl-5Ti-0.2Crefinerafterrefinementholdingfor15min

細化劑質量分數/%伸長率/%抗拉強度/MPa沖擊吸收功/J04．60141．9116．00．14．32176．4810．00．26．18141．8519．80．39．75213．6725．00．56．44190．7918．0

圖7 細化保溫不同時間后添加質量分數0.3%Al-5Ti-0.2C細化劑5356鋁合金晶粒的平均截距Fig.7 Average intercept of the grains of 5356 aluminum alloy with 0.3wt%Al-5Ti-0.2C refiner after refinement holding for different times

由圖8可以看出：添加不同質量分數細化劑鋁合金的拉伸斷口形貌中均有亮白色的韌窩，且存在明顯的撕裂棱，為典型的韌性斷口，這說明鋁合金的塑性較好；未添加細化劑鋁合金中韌窩的大小不均勻，某些區域還出現了暗色的脆性斷裂特征,如圖8(a)中圓圈所示；當細化劑質量分數為0.2%時，韌窩的平均尺寸減小，斷口中出現了一些較深的韌窩，并且多處韌窩中存在較多細小顆粒,如圖8(b)中圓圈所示，這些顆粒的存在可能是導致鋁合金塑性難以較大提高的原因；當細化劑質量分數為0.3%時，同樣能觀察到細小顆粒的存在,如圖8(c)中圓圈所示，但其數量明顯減少，并且韌窩更加細小；在不同鋁合金試樣中均存在氣孔等熔鑄缺陷，這是造成鋁合金力學性能變差的原因。

當細化劑質量分數為0.3%時，鋁合金的晶粒尺寸最小，此時其抗拉強度、伸長率、沖擊吸收功均最大，這符合細晶強化理論，即：晶粒細小造成相同體積內晶界數量的增加，導致位錯滑移所需的能量增大，因此抗拉強度提高；當施加外力后，細小晶粒內各部分的變形量均勻，減少了應力集中，因此斷面收縮率和伸長率增大。

圖8 細化保溫15 min后添加不同質量分數Al-5Ti-0.2C細化劑5356鋁合金的拉伸斷口SEM形貌Fig.8 Tensile fracture SEM morphology of 5356 aluminum alloy containing different mass fractions of Al-5Ti-0.2C refiner after refinement holding for 15 min

圖10 細化保溫不同時間后添加質量分數0.3%Al-5Ti-0.2C細化劑5356鋁合金的拉伸斷口SEM形貌Fig.10 Tensile fracture SEM morphology of 5356 aluminum alloy with 0.3wt% Al-5Ti-0.2C refiner after refinement holding for different times

2.3.2 細化保溫時間的影響

由表6可以看出：當細化保溫時間為5 min時，鋁合金的伸長率、抗拉強度和沖擊吸收功均較小，這是由熔鑄過程中出現的嚴重缺陷所致；當細化保溫時間為15 min時，鋁合金的抗拉強度和沖擊吸收功最大，分別為213.67 MPa和25 J；當細化保溫時間為20 min時，鋁合金的伸長率最大，為12.58%。

由圖10可以看出:當細化保溫時間為5 min時，斷口中韌窩數量較少，同時存在較多完整裸露的晶粒(如圖中圓圈所示)，未產生斷裂；當細化保溫時間為15，20 min時，斷口中韌窩數量較多且分布均勻，但保溫20 min斷口中的韌窩更深。

表6細化保溫不同時間后添加質量分數0.3%Al-5Ti-0.2C細化劑5356鋁合金的力學性能

Tab.6Mechanicalpropertiesof5356aluminumalloywith0.3wt%Al-5Ti-0.2Crefinerafterrefinementholdingfordifferenttimes

細化保溫時間/min伸長率/%抗拉強度/MPa沖擊吸收功/J52．00128．158．0104．67176．3514．0159．75213．6725．02012．58175．6718．8256．09176．4918．0

2.4 細化機理

通過Al-5Ti-0.2C細化劑顯微組織的分析可知，細化劑中存在大量的Al3Ti和TiC、TiC表面曲率大，導致其形核能力差，但當許多TiC粒子聚集在一起形成TiC粒子團后，有利形核，能夠直接成為熔煉鋁合金熔體中的異質形核核心，又與鋁具有相同的面心立方結構，從而使晶粒得到細化[12]。當Al-5Ti-0.2C細化劑質量分數大于0.3%時，5356鋁合金出現細化效果減弱的現象，這是因為雖然鋁合金熔體中TiC數量較多，但仍存在一些未被激活的粒子，需要生長抑制和成分過冷才會使其在某些位置形核[13]。當細化保溫時間超過15 min后，5356鋁合金出現細化效果減弱的現象，這是因為：在鋁合金熔體中鈦原子容易在TiC顆粒處偏聚，形成富鈦微區，在該微區中鈦原子和鋁合金熔體發生包晶反應而形成較多的晶核，并成為形核點；當細化保溫時間過長時，鋁合金富鈦微區中鈦原子發生重熔，并均勻分散到鋁熔體中[13]。另外，其他合金元素，如錳、鉻等元素也會對晶粒細化產生一定的影響[14]。

3 結 論

(1) Al-5Ti-0.2C細化劑能顯著細化5356鋁合金晶粒，隨著細化劑質量分數和細化保溫時間的延長，鋁合金晶粒尺寸先減小后增大。

(2) 添加細化劑后，鋁合金的力學性能得到提高，當Al-5Ti-0.2C細化劑質量分數為0.3%、細化保溫20 min時，鋁合金的伸長率最大，為12.58%，此時5356鋁合金的綜合力學性能最好。

[1] 李念奎,凌杲,聶波,等.鋁合金材料及其熱處理技術[M].北京:冶金工業出版社,2012:122.

[2] 焦好軍,胡明臣,周煉剛，等.新一代運載火箭2219鋁合金配用焊絲研制[J].宇航材料工藝,2007，37(6):61-64.

[3] 衛晏華,尹志民.鐵路列車車輛用大型鋁合金型材焊絲的選用與生產[J].有色金屬加工,2005,34(4):21-24.

[4] 張露菁,鄧鍵.日本鋁及鋁合金焊絲的現狀與分析[J].國外焊接,2001(12):35-37.

[5] 唐明君,吉澤升,呂新宇.5XXX系鋁合金的研究進展[J].輕合金加工技術,2004，32(7):1-7.

[6] 陳東高,劉紅偉,譚兵.中厚度7A05鋁合金MIG 焊接工藝研究[J].兵器材料科學與工程,2009,32(6):54-57.

[7] 紀艷卿.焊絲用5356鋁合金制備工藝的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2010.

[8] 鋁合金焊料課題組. 航天用高強度鋁合金焊絲研究報告[J]. 有色金屬與稀土應用，1999(2):1-7.

[9] 黃敏,劉銘,張坤，等.鋁及鋁合金焊絲的研究與發展現狀[J].有色金屬加工,2008,37(2):9-12.

[10] 劉相法,邊秀房.鋁合金組織細化用中間合金[M].長沙:中南大學出版社,2012.

[11] 張森,韓延峰,王俊,等.Al-Ti-C中間合金研究進展[J].金屬鑄鍛焊技術,2012,41(13):49-53.

[12] CIBULA A. The grain refinement of aluminum alloy castings by additions of titanium and boron[J]. J Inst Metals,1951,80(1):1-16.

[13] 程桃祖.Al-Ti-C中間合金的制備及細化性能研究[D].湘潭:湘潭大學,2007.

[14] 孫雪迎.Al-Ti-B、Al-Ti-C中間合金細化鋁及鋁合金機制研究[D].北京:清華大學,2011.