Al-5.22Ti-1.65B的金相組織對ZL101A鑄造鋁合金的影響

(昆明冶金研究院有限公司, 云南 昆明 650031)

在工業生產中,添加晶粒細化劑是最簡單和最有效的方法，也是鋁合金熔體處理技術的重要組成部分,它具有作用速度快、操作方便和適應性強等特點。它可以防止粗大柱狀晶的形成和消除羽毛晶，從而提高鋁合金的綜合性能[1-2]。研究發現,向鋁合金熔體中加入鋁鈦硼中間合金,可以使凝固組織得到改善。目前,國內主要研究鋁鈦硼合金的細化效果和對鋁合金力學性能的影響[3-4], 而有關鋁鈦硼中間合金組織均勻性的研究并不多見,因此,本文對鋁基體中的TiAl3相和TiB2顆粒進行分析,并在此基礎上,探討Al-5.22Ti-1.65B中間合金的金相組織對ZL101A鑄造鋁合金的作用, 為正確使用鋁鈦硼和保證鋁合金產品質量提供理論依據。

1 實驗材料和方法

1.1 Al-5.22Ti-1.65B中間合金對ZL101A鑄造鋁合金的處理過程

Al-5.22Ti-1.65B中間合金對ZL101A鑄造鋁合金的處理過程如下：用坩堝電阻爐將ZL101A鑄造鋁合金在770 ℃的溫度條件下熔化,保溫15 min后,除渣,加入1%的Al-5.22Ti-1.65B中間合金,攪拌1 min,保溫5 min, 攪拌1 min,靜置8 min,隨爐冷卻到590 ℃,澆鑄在200 ℃的模具中取出,水淬。

1.2 金相樣品的制備

(1) 選用Al-5.22Ti-1.65B中間合金進行金相分析,其鋁鈦硼中間合金的化學成分為: Ti：5.22%, B: 1.65%, Fe:0.095%,Si:0.082%,V:0.011%.余量為Al。其金相樣品的制備方法如下:先用180號、400號、800號、1000號、1200號、1500號和2000號水砂紙由小到大磨制試樣,在磨制時,沿一個方向進行磨制,不能改變磨制方向,每更換砂紙時,要垂直于前道劃痕90°進行磨制,直到上一道劃痕消除,要隨時在水砂紙上添加水,保證砂紙濕潤, 更換砂紙時,要清洗試樣和研磨盤,以便將殘留的砂粒清除。

(2)采用絲絨布和粒度為0.5w的Al2O3拋光液進行拋光,方向垂直于磨制方向,在拋光時,用力要適當,并不斷添加Al2O3拋光液,以保證拋光效果。如果存在輕微拋光痕跡,則垂直于前道拋光方向進行二次拋光,拋光時,用力要輕,先用Al2O3拋光液拋光,再用清水拋光,直到拋光痕跡消除。最后,更換絲絨布,清洗拋光盤,垂直于前道拋光方向用清水進行拋光,目的是使試樣拋光面光亮如鏡。拋光后,用無水乙醇清洗拋光面,吹風機吹干。

(3)將試樣放入0.5%HF水溶液中浸蝕8～25 s后,用自來水沖洗10 min,再用無水乙醇清洗, 吹風機吹干,去除表面水珠,制成金相試樣。

(4)ZL101A鑄造鋁合金金相樣品的制備與Al-5.22Ti-1.65B中間合金相同。

1.3 金相觀察和分析

在Axio imager A2m 型研究級智能數字材料顯微鏡下觀察金相組織，通過圖像分析軟件拍攝金相照片,對顯微組織進行分析。用帕納科銳影Empyrean型X射線衍射儀(XRD)確定鋁鈦硼中間合金的物相。

2 試驗結果與分析

2.1 Al-5.22Ti-1.65B中間合金的物相分析

圖1是Al-5.22Ti-1.65B中間合金的X射線衍射圖,從圖1中可以看出,鋁鈦硼中間合金除了有基體α-Al相的衍射峰外,還有TiAl3相和TiB2顆粒的衍射峰,其中,α-Al相的衍射峰較強, TiAl3相的衍射峰次之,TiB2顆粒的衍射峰最弱,說明鋁鈦硼中間合金含有α-Al、TiAl3和TiB2三種物相。

圖1 Al-5.22Ti-1.65B中間合金的X射線衍射分析結果

2.2 Al-5.22Ti-1.65B中間合金的金相組織分析

通過對Al-5.22Ti-1.65B中間合金圓桿金相樣品的制備,使金相組織中的TiAl3相和TiB2顆粒在顯微鏡下清晰顯現,能夠清楚地分析鋁鈦硼中間合金的顯微組織。圖2為Al-5.22Ti-1.65B中間合金圓桿橫斷面的金相組織,從圖2可以看出,α-Al基體上有較大的白色塊狀物為TiAl3相,其周圍分布著黑色TiB2顆粒,TiAl3相分布均勻,偏聚很少。

對圖3的顯微組織進行觀察,可以測量TiAl3相的大小,平均尺寸<45 μm；TiB2顆粒是球形,直徑<8 μm,彌散分布,無聚集現象。

圖2 Al-5.22Ti-1.65B中間合金的金相組織(100倍)

圖3 Al-5.22Ti-1.65B中間合金的TiAl3相和TiB2顆粒的大小(200倍)

在鋁鈦硼中間合金起細作用的基礎相是TiAl3相,其形態直接影響到合金的細化效果,如圖4所示,以短軸和長軸之比作為TiAl3相的形態分析,得到TiAl3相的短軸和長軸之比為0.82,接近于1,說明TiAl3相的形態為塊狀,而塊狀的TiAl3相有利于晶粒細化。

圖4 分散的TiAl3相和TiB2顆粒(500倍)

TiAl3相和TiB2顆粒是鋁鈦硼中間合金的主要細化相,其細化機制是TiAl3相和TiB2顆粒共同作用的結果,這兩種相的形態、大小和分布決定了最終的細化效果,其顯微組織是: TiAl3相是塊狀,分布均勻而不聚集、TiAl3相的平均尺寸<45 μm。TiB2顆粒為球狀,彌散分布,直徑小于8 μm,不允許有聚集的TiB2團塊出現。TiAl3相和TiB2顆粒高度均勻彌散分布,將成為晶粒長大的抑制劑,阻礙了鋁合金熔體的晶粒長大,鋁鈦硼中間合金的細化效果,不僅是細化晶粒,而且使晶粒分布均勻,各向異性減小,這樣,鋁合金具有較高的力學性能。TiAl3相和TiB2顆粒的分布均勻性是決定鋁鈦硼中間合金品質的重要參數之一,分布均勻性越好, 鋁鈦硼中間合金的品質越高。

在鋁鈦硼中間合金的制備過程中,首先形成TiB2顆粒,在TiB2顆粒下沉的過程中生成TiAl3相[5], TiB2顆粒在凝固過程分布于TiAl3相之間,所以, 鋁鈦硼中間合金的金相組織是TiAl3相呈較大塊狀分布于α-Al基體上, TiB2呈細小的顆粒處于TiAl3相之間,彌散分布。根據上述分析結果,得到Al-5.22Ti-1.65B中間合金的金相組織特征見表1。

表1 Al-5.22Ti-1.65B中間合金的金相組織特征

2.3 Al-5.22Ti-1.65B中間合金的組織均勻性

從圖4可以看出, 在Al-5.22Ti-1.65B中間合金圓桿的金相組織中,TiAl3相和TiB2顆粒分散分布,均勻性較好。而在圖5中,出現了TiAl3相和TiB2顆粒聚集現象,組織不均勻，局部過量的TiAl3相雖然加強細化作用,但失去了形核核心的作用,無法滿足高品質鋁鈦硼中間合金的要求，另外,其他區域的TiAl3的相對數量變少,鋁合金結晶核心質點的數量隨之減少,細化作用減弱。另外,出現TiB2顆粒聚集主要是因為TiB2顆粒在向鋁合金熔體的擴散過程中, TiB2顆粒試圖以界面能最小的狀態存在所引起的,TiB2顆粒越細小,表面能就越高,TiB2顆粒越容易聚集,相互之間的作用力就越大[6],最終出現了TiB2顆粒的聚集現象,這是鋁鈦硼中間合金失效的重要原因。因此, TiB2顆粒必須彌散均勻分布,不允許有TiB2顆粒聚集現象的存在。

圖5 TiAl3相和TiB2顆粒的聚集狀態(500倍)

2.4 Al-5.22Ti-1.65B中間合金的組織均勻性對ZL101A鋁合金顯微組織的影響

TiAl3相在一定程度上的偏聚不利于異質形核,只有當TiAl3相分布均勻時,才有利于形核。當添加TiAl3相分布不均勻的Al-5.22Ti-1.65B中間合金圓桿時,由于鋁合金凝固時部分區域缺少有效的異質形核基底, 導致鋁合金部分區域的樹枝狀的α-Al相較多,大小不一,晶粒尺寸相差很大,如圖6所示。而且分布不均勻的TiAl3相進入鋁合金熔體之后,使溶解后的鈦濃度分布不均勻,顯微組織的處理也不均勻,引起各個區域的組織差異較大。當組織均勻的鋁鈦硼中間合金加入到鋁合金熔體中,由于TiAl3相和TiB2顆粒分布均勻,使各個區域的形核數量分布均勻,減少了樹枝晶的生長,從而使α-Al相朝著等軸晶的方向發展,見圖7。

圖6 組織不均勻的Al-5.22Ti-1.65B中間合金處理的α-Al相形貌(100倍)

圖7 組織均勻的Al-5.22Ti-1.65B中間合金處理的α-Al相形貌 (100倍)

圖8為將組織不均勻的Al-5.22Ti-1.65B中間合金加入到ZL101A鋁合金中的金相照片,可以看到鋁合金的金相組織中出現了共晶硅聚集現象和塊狀共晶硅,這種共晶硅對鋁基體有較強的割裂作用,降低了合金的力學性能。而經過組織均勻的Al-5.22Ti-1.65B中間合金處理后,共晶硅的分散性較好,塊狀共晶硅已經消除,見圖9。這是因為合金在凝固時,先析出α-Al相,后凝固共晶硅相,由于α-Al相晶粒的樹枝晶減少,其組織更加均勻,這種組織的均勻性阻止了共晶硅的聚集和塊狀共晶硅的析出,有利于鋁合金顯微組織的改善。經過以上分析,得到鋁鈦硼中間合金對ZL101A鋁合金顯微組織的影響見表2。

圖8 組織不均勻的Al-5.22Ti-1.65B中間合金處理的共晶硅分布(1 000倍)

圖9 組織均勻的Al-5.22Ti-1.65B中間合金處理的共晶硅分布(1 000倍)

表2 Al-5.22Ti-1.65B對ZL101A鋁合金顯微組織的影響

3 試驗結論

(1)經X射線衍射分析,鋁鈦硼中間合金主要由α-Al相、TiAl3相和TiB2顆粒組成。

(2)在鋁鈦硼中間合金的金相組織中, TiAl3相呈較大塊狀分布于α-Al基體上, 平均尺寸<45 μm,分布均勻而不聚集。TiB2顆粒的形狀為球狀, 處于TiAl3相之間,彌散分布,直徑小于8 μm。

(3)隨著組織均勻的鋁鈦硼中間合金的加入, 減少了樹枝狀α-Al相的形成,共晶體硅的分散性更好,ZL101A鑄造鋁合金組織變得更均勻。

(4)當鋁鈦硼中間合金的組織不均勻時, 鋁鈦硼中間合金對ZL101A鑄造鋁合金的作用存在區域性，不能對顯微組織進行有效而均勻的處理。