Al-5Ti-0.25C合金制備工藝及其細化效果研究

楊何，胡茂良，劉桐，周雨晴，盧凱，楊興飛，吉澤升

Al-5Ti-0.25C合金制備工藝及其細化效果研究

楊何，胡茂良，劉桐，周雨晴，盧凱，楊興飛，吉澤升

（哈爾濱理工大學 材料科學與工程學院，哈爾濱 150080）

對機械加工過程中的Al屑和Ti屑進行回收再利用。以Al屑和Ti屑為制備Al-5Ti-0.25C合金的原材料，分析Al屑和Ti屑的加料溫度、反應溫度和反應時間對Al-5Ti-0.25C微觀組織的影響，確定最佳制備工藝。在此基礎上研究Al-5Ti-0.25C的添加量、細化溫度、細化時間和攪拌處理對純鋁的細化效果，確定最佳細化工藝，并與商用桿狀Al-5Ti-1B合金對比細化效果。最佳制備工藝：加料溫度為860 ℃、反應溫度為950 ℃和反應時間為60 min。最佳細化工藝：Al-5Ti-0.25C合金的質量分數為0.2%、細化溫度為730 ℃和細化時間為2 min，攪拌處理。添加0.2%Al-5Ti-0.25C合金（質量分數）后，純鋁平均晶粒尺寸細化到大約200.2 μm。細化時間低于60 min時，Al-5Ti-0.25C合金無明顯衰退現象。以機械加工產生的Al屑和Ti屑為原材料制備Al-5Ti-0.25C合金，可以有效解決Al屑和Ti屑的回收難題，而且Al-5Ti-0.25C合金的細化效果優于商用桿狀Al-5Ti-1B合金。

Al-5Ti-0.25C；制備工藝；細化效果；Al屑；Ti屑

鋁合金具有強度高、密度低和抗腐蝕性能良好等特點被廣泛應用在航天航空、汽車和機械等領域[1]。晶粒細化不僅可以進一步提高鋁合金的綜合力學性能，還可以有效減少熱裂、縮松和縮孔等鑄造缺陷[2—4]。Al-Ti-C和Al-Ti-B合金是最常用的鋁合金晶粒細化劑，但Al-Ti-B合金存在TiB2顆粒易沉聚、衰退嚴重和Si“中毒”等現象限制了其應用[5—6]。Al-Ti-C合金因具有TiC粒子尺寸小、“中毒”現象不明顯和C源豐富的顯著優勢而被廣泛關注，因此，人們致力于研究更具有發展潛力的Al-Ti-C合金[7]。

機械加工過程中產生大量的廢Ti屑和Al屑。目前，我國對于廢Ti屑和Al屑的回收成本高、收益小、污染大，廢Ti屑和Al屑的回收再利用成為一個難題[8—10]。鈦屑的回收方法主要有二次產品回收法和重熔法。重熔法包括電子束冷床爐法[11]和真空自耗電弧爐法[12]。電子束冷床爐法存在設備昂貴、提純工藝不成熟的缺點；真空自耗電弧爐法的Ti屑利用率不高[13]。制備Al-Ti-C合金時，用廢棄的Ti屑代替傳統的氟鹽不但可以實現對Ti的回收再利用，而且可以降低制備成本，提高經濟效益。

文中以機械加工產生的Al屑和Ti屑為原材料制備Al-5Ti-0.25C合金，研究屑料的加料溫度、反應溫度和反應時間對Al-5Ti-0.25C合金微觀組織的影響，確定Al-5Ti-0.25C合金的最佳制備工藝。從Al-5Ti- 0.25C合金的添加量、細化溫度、細化時間以及是否攪拌處理4個方面優化Al-5Ti-0.25C合金的細化工藝，并與商用桿狀Al-5Ti-1B合金對比細化效果。

1 試驗

1.1 材料

材料選擇商業純鋁錠（Al為99.78%，Si為0.1%，Fe為0.12%，質量分數）、鈦合金（Ti為90.2%，Al為6.1%，V為3.7%，質量分數）、石墨粉（純度為99.9%，粒度為30 μm）、商業桿狀Al-5Ti-1B合金。鋁錠和鈦合金通過機械加工成屑（Al屑為扁平的長條狀，厚度≤0.6 mm；Ti屑為片狀，厚度≤0.6 mm）。試驗前去除純鋁錠表面氧化層。

1.2 制備試驗

Al屑、Ti屑和石墨粉均勻混合后用YT28-200/ 315T四柱式雙動拉伸液壓機在室溫下壓成40 mm× 20 mm的預制塊。商業純鋁放入SiC坩堝中，置于RX2-37-13型箱式電阻爐中加熱到760 ℃熔化。熔體升溫到加料溫度后，用鐘罩將預制塊加入鋁熔體中，并升溫到反應溫度反應一段時間（反應時間），然后澆注到40 mm×40 mm的鋼制模具中制成Al-5Ti-0.25C合金。加料溫度為850 ℃和950 ℃，反應溫度為950，1000，1100 ℃，反應時間為30，60，90 min。預制塊和鋼制模具均在井式電阻爐中預熱到200 ℃，鋁熔體加入KCl作為覆蓋劑和固體C2Cl6進行除氣精煉，鋁熔體在澆注前均進行攪拌處理。

用X'Pert PRO MPD型X射線衍射儀（XRD）進行物相分析，工作電壓為40 kV，工作電流為40 mA，掃描速度為4（°）/min，掃面角度為20°～90°，靶材為Cu-K靶。微觀組織觀察樣品在距離澆注試樣底部10 mm處取樣。樣品經打磨、拋光、腐蝕后在BX41M Olympus金相顯微鏡（OM）進行微觀組織觀察，腐蝕劑為Keller試劑，腐蝕時間為15～20 s。用配備有能譜儀（EDS）的FEI-Quanta 200型掃描電子顯微鏡（SEM）對合金樣品進行微觀組織分析。

1.3 細化試驗

細化試驗在純鋁中進行，純鋁在760 ℃下熔化，鋁熔體溫度到達細化溫度后加入合金，并反應一段時間（細化時間），然后澆注到40 mm×40 mm的鋼制模具中制得細化樣品。添加合金的質量分數分別為0.1%，0.2%，0.3%，1%，細化溫度分別為700，730，760，790 ℃，細化時間分別為2，5，10，30，60，90 min。在最佳細化工藝下對比Al-5Ti-0.25C與Al-5Ti-1B合金的細化效果。細化試驗用的腐蝕劑為60% HCl+30% HNO3+5% HF+5% H2O（體積分數），采用截線法測量純鋁的平均晶粒尺寸。

2 結果與分析

2.1 微觀組織分析

圖1為Al-5Ti-0.25C合金的XRD和微觀組織，加料溫度為850 ℃，反應溫度為1000 ℃，反應時間為60 min。圖1a的XRD分析表明Al-5Ti-0.25C合金主要由-Al，TiAl3和TiC相組成，這也被KUMAR等[14]證實了。圖2b—e表明Al-5Ti-0.25C合金微觀組織中分布的塊狀白色相是TiAl3相，其尺寸主要分布在10～25 μm。

圖2為Al-5Ti-0.25C合金在兩種不同加料溫度（860 ℃和950 ℃）下的微觀組織，反應溫度為1000 ℃，反應時間為60 min。如圖2a所示，加料溫度為860 ℃時，TiAl3尺寸較小且均勻分布在-Al中。加料溫度為950 ℃時（見圖2b），TiAl3相的尺寸比860 ℃時的大，并且TiAl3相發生團聚，這是由于高溫下TiAl3相發生了長大，因此，最合適的加料溫度為860 ℃。

圖3為Al-5Ti-0.25C合金在不同反應溫度下的微觀組織，加料溫度為850 ℃，反應時間為60 min。如圖3a所示，反應溫度為950 ℃時，Al-5Ti-0.25C合金微觀組織中存在未溶解石墨，TiAl3相由于鋁熔體溫度較低，熔體流動性較差，難以分散發生團聚。反應溫度為1000 ℃時（見圖3b），TiAl3相均勻分布在-Al中。如圖3c所示，TiAl3相在1100 ℃時有明顯的生長擇優取向，由塊狀生長為長條狀[15]。長條狀TiAl3相會降低合金的細化效果[16]，因此，1000 ℃是最合適的反應溫度。

圖1 Al-5Ti-0.25C合金的XRD和微觀組織

圖2 Al-5Ti-0.25C合金在不同加料溫度下的微觀組織

圖3 Al-5Ti-0.25C合金在不同反應溫度下的微觀組織

圖4為Al-5Ti-0.25C合金在不同反應時間下的微觀組織，加料溫度為850 ℃，反應溫度為1000 ℃。反應時間為30 min時，TiAl3相因為在鋁熔體中的分散時間不足而發生團聚；反應時間超過60 min時，Al-5Ti-0.25C合金微觀組織中沒有發現團聚的TiAl3相；反應時間為90 min時，TiAl3相由塊狀轉變為長條狀。團聚的TiAl3相和長條狀的TiAl3相都會降低Al-5Ti-0.25C合金的細化效果，因此，最合適的反應時間是60 min。

2.3 細化效果

圖5為純鋁的宏觀組織形貌。如圖5a所示，未添加Al-5Ti-0.25C合金前，工業純鋁的晶粒為粗大的等軸晶和柱狀晶，平均晶粒尺寸約為3000 μm。如圖5b所示，添加Al-5Ti-0.25C合金后，工業純鋁晶粒被細化為細小的等軸晶，純鋁平均晶粒尺寸被明顯細化。紅色區域表示添加Al-5Ti-0.25C合金后，攪拌處理對純鋁晶粒尺寸的影響。攪拌處理可以提高Al-5Ti-0.25C合金的細化效果，純鋁的平均晶粒尺寸由未攪拌的260 μm減小到攪拌后的196 μm。

圖4 Al-5Ti-0.25C合金在不同反應時間下的微觀組織

圖5 純鋁的宏觀組織形貌

Al-5Ti-0.25C合金的加入量、細化溫度和細化時間與純鋁平均晶粒尺寸的關系見圖6。圖6表明添加0.2%Al-5Ti-0.25C合金（質量分數）后，純鋁平均晶粒尺寸被細化到大約200 μm。此后，隨著添加量的增加，鋁熔體中有效異質晶核達到飽和，純鋁平均晶粒尺寸不再明顯變化。從圖6可以看出，隨著細化溫度的升高，純鋁平均晶粒尺寸先減小后增大。細化溫度為730 ℃時，純鋁平均晶粒尺寸最小，約為213 μm。溫度低于730 ℃時，鋁熔體的粘度大，TiAl3相在鋁熔體內不能有效分散，熔體內部缺乏足夠的有效異質晶核，降低了Al-5Ti-0.25C合金的細化效果。TiC在鋁熔體中能穩定存在，但TiAl3相會溶解。SVYNARENKO K等[17]已經證明TiAl3在鋁熔體中會溶解，溫度高于730 ℃時，TiAl3相大量溶解弱化了Al-5Ti-0.25C合金的細化效果。細化時間曲線表明細化時間為2 min時，純鋁平均晶粒尺寸約為191 μm。細化時間在5～60 min時，純鋁平均晶粒尺寸由201 μm緩慢上升到280 μm，變化不大，即細化時間低于60 min時，Al-5Ti-0.25C合金具有良好的細化效果，無明顯衰退現象。Al-5Ti-0.25C合金的最佳細化工藝是Al-5Ti-0.25C合金的質量分數為0.2%、細化溫度為730 ℃和細化時間為2 min。

圖6 Al-5Ti-0.25C合金的加入量、細化溫度和細化時間與純鋁平均晶粒尺寸的關系

2.4 細化效果對比

圖7為Al-5Ti-0.25C和Al-5Ti-1B合金的細化效果對比曲線，Al-5Ti-0.25C和Al-5Ti-1B合金的質量分數均為0.2%，細化溫度為730 ℃。細化時間為2 min時，Al-5Ti-0.25C合金細化后的純鋁平均晶粒尺寸約為188 μm，比Al-5Ti-1B合金細化后的328 μm降低了42.68%。細化時間低于60 min時，Al-5Ti-0.25C合金的衰退現象沒有Al-5Ti-1B合金明顯。在相同細化時間條件下，Al-5Ti-0.25C合金的細化效果比Al-5Ti-1B合金好。圖7表明Al-5Ti-0.25C合金的細化效果明顯優于商用的Al-5Ti-1B合金。

圖7 Al-5Ti-0.25C和商用Al-5Ti-1B的細化效果對比曲線

3 結論

1）采用機械加工產生的Al屑和Ti屑制備Al-5Ti-0.25C合金是對鋁屑和鈦屑回收再利用的有效方法，Al-5Ti-0.25C合金的最佳工藝是加料溫度為860 ℃、反應溫度為1000 ℃和反應時間為60 min。Al-5Ti-0.25C合金的最佳細化工藝是Al-5Ti-0.25C合金的質量分數為0.2%，細化溫度為730 ℃和細化時間為2 min。

2）加料溫度為950 ℃時，TiAl3相粗化并團聚。反應溫度為900 ℃時，Al-5Ti-0.25C的微觀組織中存在未溶解石墨，反應溫度為1100 ℃時，TiAl3相由塊狀轉變為長條狀。反應時間低于60 min時，Al-5Ti- 0.25C微觀組織中有未溶石墨，反應時間為90 min時，TiAl3相轉變為長條狀。

3）Al-5Ti-0.25C合金在細化時間低于60 min時無明顯衰退現象，Al-5Ti-0.25C合金的細化效果比Al-5Ti-1B合金好。細化時間為2 min時，Al-5Ti-0.25C合金細化后的純鋁平均晶粒尺寸比Al-5Ti-1B合金細化的平均晶粒尺寸低42.68%。

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Preparation Process and Refining Performance of Al-5Ti-0.25C Alloy

YANG He, HU Mao-liang, LIU Tong, ZHOU Yu-qing, LU Kai, YANG Xing-fei, JI Ze-sheng

(School of Materials Science and Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China)

In this paper, Al and Ti chips produced by machining were used as raw materials to prepare the raw material of Al-5Ti-0.25C alloy. The effects of the addition temperature, reaction temperature and reaction time of Al and Ti chips on the microstructure of Al-5Ti-0.25C were analyzed to determine the best preparation process. On this basis, the refinement effects of Al-5Ti-0.25C addition, refinement temperature, refinement time and stirring treatment on pure aluminum were studied to determine the best refinement process and compare the refinement effects with commercial rod Al-5Ti-1B alloy. The results show that the optimal preparation process is that the feed temperature is 860 ℃, reaction temperature is 950 ℃ and reaction time is 60 min. The optimal refining process is that the addition amount of Al-5Ti-0.25C alloy is 0.2%, refining temperature is 730 ℃ and refining time is 2 min, with stirring treatment. After adding 0.2% Al-5Ti-0.25C alloy, the average grain size of pure aluminum is refined to about 200.2 μm. When the refining time is less than 60 min, the fading phenomenon in Al-5Ti-0.25C alloy is no obvious. The preparation of Al-5Ti-0.25C alloy with Al chips and Ti chips produced by machining can effectively solve the problem of recovery of Al chips and Ti chips. And the refining performance of Al-5Ti-0.25C alloy is better than that of commercial rod-like Al-5Ti-1B alloy.

Al-5Ti-0.25C; preparation process; refining performance; Al Chips; Ti chips

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.03.019

TG146.2+1

A

1674-6457(2021)03-0148-06

2021-03-11

2020年大學生創新創業項目（202010214146）；國家重點研發計劃（2019YFB2006500）

楊何（1999—），男，金屬材料工程專業本科生。

胡茂良（1980—），男，博士，教授，主要研究方向為鎂鋁合金新材料與強韌化。