晶粒細化劑對7050鋁合金鑄錠晶粒組織的影響

李丹丹，樊 勇，劉 強，溫慶紅，牟 春

（1.西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶 401326；2.北京星航機電裝備有限公司，北京 100071）

0 前言

7050 鋁合金是通過降低7075 鋁合金中的Fe 和Si 等雜質含量，提高Zn、Cu 的含量及Zn/Mg 比值，并在合金中添加Zr 替代Cr 開發出來的。由于這些成分的改進及采用過時效狀態，使7050 鋁合金在保持較高強度水平條件下，同時具有韌性好、疲勞強度高和抗應力腐蝕性能好等優良綜合性能。7050 鋁合金另一個突出的優點是淬透性好，特別適用于制造厚大截面的零件[1]。

晶粒細化是控制材料組織、改善材料性能的一個重要手段。通過晶粒細化，不僅使初晶α-Al 由粗大樹枝晶變為細小等軸晶，而且還能起到以下作用：改善合金的補縮能力，使組織致密；使二次枝晶細小，第二相分布均勻，有利于抑制或減輕宏觀偏析、羽毛狀晶、浮游晶和粗大金屬間化合物的生成；減少針孔的尺寸和數量，使其分布更加均勻彌散；消除鋁合金表面缺陷和熱軋缺陷，克服熱裂缺陷和產生傾向，減少裂紋，改善和提高鑄錠的塑性加工變形能力及提高產品的內在質量等。因此強化熔鑄過程中的晶粒細化處理是控制鑄錠組織、獲得優質鋁材加工坯料和改善鋁合金冶金質量的重要途徑[2]。

晶粒細化的途經有細化鑄造組織、大變形量加工以及快速退火等手段，而添加晶粒細化劑細化鑄造組織是最根本、最經濟和最有效的方法[3]。在生產實踐中，通常在鑄造時向鋁熔體中連續添加中間合金晶粒細化劑進行晶粒細化，這也是目前效果最好、最實用的晶粒細化方法。

目前，航空用變形鋁合金的半連續鑄造過程廣泛采用AlTi3C0.15 和AlTi5B1 兩類細化劑進行晶粒細化。

AlTi5B1 具有良好的細化效果，已被廣泛應用于鋁合金行業，但內部TiB2容易聚集、沉淀，同時Zr、Cr、Mn 等雜質元素還會與Ti 反應導致細化劑產生“中毒”現象。AlTi3C0.15 合金的TiC 不易發生聚集沉淀，對導致Al-Ti-B“中毒”的Zr、Cr、Mn 等元素具有“免疫”功能。但Al-Ti-C 的細化能力低于Al-Ti-B，而且具有明顯的衰減性[4]，此外其制備工藝也較為復雜。

鑒于Al-Ti-C 和Al-Ti-B 細化劑的各自優缺點，目前關于AlTi3C0.15 和AlTi5B1 兩類細化劑對7050 合金鑄錠晶粒組織影響沒有定論。本文擬對采用這兩類細化劑生產的7050 鋁合金鑄錠晶粒組織進行對比研究，明晰晶粒組織差異，明確各類細化劑對7050鋁合金鑄錠的細化效果。

1 試驗材料及方法

本試驗使用的7050 鋁合金鑄錠分別采用AlTi3C0.15 和AlTi5B1 兩類細化劑，共計3 種規格。鑄錠明細見表1。

表1 鑄錠明細

試驗方法：取3種試驗鑄錠底部試片進行低倍浸蝕，觀察低倍組織；并在各鑄錠底部1/2 寬度沿厚度方向取高倍樣品，觀察3/8厚度（3T/8）和1/2厚度（T/2）位置的晶粒組織，并測量其晶粒尺寸，取樣示意圖見圖1。

圖1 高倍樣品取樣示意圖

2 試驗結果

2.1 低倍組織

3 種試驗鑄錠底部低倍試驗組織見圖2，低倍觀察結果見表2。由圖2、表2 可知：采用AlTi3C0.15 細化的兩個規格鑄錠低倍晶粒度在2.5～3 級之間；采用AlTi5B1 細化的鑄錠低倍晶粒度為1.5級，明顯小于采用AlTi3C0.15細化的鑄錠。

圖2 低倍組織

表2 低倍觀察結果

2.2 晶粒組織

3種試驗鑄錠底部不同厚度位置樣品的典型晶粒組織見圖3，晶粒尺寸測量結果見表3。

圖3 典型晶粒組織

表3 晶粒尺寸測量結果

由圖3、表3 可知：各樣品晶粒組織呈等軸狀；采用AlTi3C0.15 細化劑的兩個規格鑄錠3/8 厚度位置的晶粒尺寸大于1/2 厚度位置，且兩個規格鑄錠晶粒尺寸基本相當；采用AlTi5B1 細化劑的鑄錠3/8厚度位置的晶粒尺寸小于1/2厚度位置；采用AlTi3C0.15 細化劑的鑄錠晶粒尺寸明顯大于采用AlTi5B1細化劑的鑄錠。

3 試驗分析

采用AlTi3C0.15細化劑的兩個規格鑄錠晶粒尺寸基本相當，且鑄錠晶粒尺寸明顯大于采用AlTi5B1細化劑的鑄錠。可以看出，對于7050鋁合金而言，AlTi3C0.15 晶粒細化劑細化效果不如AlTi5B1晶粒細化劑。

在半連續鑄造過程中，熱量由鑄錠心部向鑄錠邊部擴散，鑄錠邊部由結晶器及水流冷卻，因此，凝固的過冷度由鑄錠心部向邊部逐漸增大，臨界形核尺寸逐漸減小，形核率逐漸提高，鑄錠晶粒尺寸逐漸減小[5]。但是采用AlTi3C0.15 細化劑的兩個規格鑄錠3/8 厚度位置的晶粒尺寸大于1/2 厚度位置。這可能與AlTi3C0.15 和AlTi5B1 晶粒細化劑的作用及分布存在差異有關。

4 結論

（1）采用AlTi3C0.15 細化劑的鑄錠低倍晶粒度明顯大于采用AlTi5B1細化劑的鑄錠。對于7050鋁合金而言，AlTi3C0.15晶粒細化劑細化效果不如AlTi5B1晶粒細化劑。

（2）采用AlTi3C0.15細化劑的鑄錠3/8厚度位置的晶粒尺寸大于1/2 厚度位置，采用AlTi5B1 細化劑的鑄錠3/8厚度位置的晶粒尺寸小于1/2厚度位置。這可能與AlTi3C0.15 和AlTi5B1 晶粒細化劑的作用及分布存在差異有關。