隨著鋁合金使用日益廣泛,人們對高品質(zhì)Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑的需求也日益增加。氟鹽法是國內(nèi)外Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑制備的主流方法,國內(nèi)研究者們在氟鹽法制備工藝方面取得了一定的成果,但依然未能在高品質(zhì)Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑的制備上獲得突破。Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑的細(xì)化機(jī)理主要有硼化物粒子理論、包晶反應(yīng)理論、雙重形核理論等,其中,雙重形核理論可以較好地解釋Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑的晶粒細(xì)化過程。雙重形核理論表明:Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑中的第二相TiAl₃和TiB₂尺寸越小、數(shù)量越多、分布越彌散,則Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑的細(xì)化性能越突出。氟鹽反應(yīng)熱力學(xué)分析表明:在氟鹽反應(yīng)產(chǎn)物控制方面,TiB₂的生成趨勢最大,TiAl₃次之,AlB₂最小;在750～800℃的反應(yīng)溫度范圍內(nèi),適當(dāng)縮短反應(yīng)時間,可在保證TiAl₃生成的同時避免AlB₂的生成。氟鹽反應(yīng)動力學(xué)分析表明:TiAl₃和TiB₂的形成... 

【文章來源】：材料導(dǎo)報. 2020,34(09)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

Al-Ti-B細(xì)化劑的金相顯微組織

Mohanty等[32-33]通過實驗研究發(fā)現(xiàn),無論鋁熔體中的Ti含量高于或低于0.15%,均會在TiB2顆粒表面形成TiAl3,因此提出了雙重形核理論。該理論認(rèn)為,Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑加入到Al熔體,熔化后釋放出TiAl3和TiB2顆粒,TiB2因熔點高穩(wěn)定存在于Al熔體中,而TiAl3迅速熔解[34-35],提供過剩的Ti原子,此時鋁熔體中形成了局部的Ti濃度梯度,Ti原子不斷向TiB2表面遷移,并隨著熔體過冷度的增加,在TiB2表面重新生成TiAl3,最后發(fā)生包晶反應(yīng)(L+TiAl3→α-Al)促進(jìn)α-Al形核而使晶粒細(xì)化(如圖2)。Jones等[36]計算了Ti和TiB2的化學(xué)勢,表明Ti易向TiB2表面偏聚;戚文軍等[37]將Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑加入純Al熔體中,發(fā)現(xiàn)冷卻后的Al錠中,TiB2周圍的Ti含量高于Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑中TiB2周圍的Ti含量,肯定了Ti偏聚到TiB2表層的說法。另外,丁彥紅[38]通過第一性原理計算表明,TiAl3可優(yōu)先與TiB2結(jié)合成為α-Al的形核基底;Schumacher等[39]在1 300 ℃將Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑加入Al85Y8Ni5Co2合金中,并未發(fā)現(xiàn)單獨的TiAl3顆粒,而在TiB2顆粒表層卻發(fā)現(xiàn)了TiAl3,說明原有的TiAl3熔解后,Ti重新偏聚到TiB2表面并生成TiAl3。Fan等[40]通過高分辨率電鏡觀察到Al/TiB2界面處確實存在TiAl3薄層,并指出TiAl3、TiB2和α-Al之間具有如下位相關(guān)系: (0001)[11 2 ˉ 0]ΤiB 2 // (112)[ 2 ˉ 01]ΤiAl 3 // (111)[0 1 ˉ 1] Al,進(jìn)一步證實了TiAl3在TiB2表面形成的合理性。綜上可知,硼化物粒子理論、包晶反應(yīng)理論只能對部分實驗現(xiàn)象進(jìn)行解釋,存疑之處較多;而雙重形核理論則較完美地解釋了Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑的晶粒細(xì)化過程,并得到了理論和實驗的證明。因此,基于雙重形核理論,若Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑中TiAl3及TiB2顆粒尺寸越細(xì)小、越彌散,則可形成的TiAl3包覆TiB2顆粒(非均勻形核核心)越多,晶粒細(xì)化效果越顯著。因此,要制備高品質(zhì)Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑,需對Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑中的TiAl3和TiB2顆粒進(jìn)行有效控制,使其充分細(xì)化和彌散。

由反應(yīng)式(1)—式(4)可知,反應(yīng)后熔體中存在TiAl3、TiB2、AlB2以及密度小于Al熔體的副產(chǎn)物。然而,Al-Ti-B晶粒細(xì)化劑中僅有TiAl3和TiB2才是有效的形核相,AlB2雖能與TiAl3發(fā)生反應(yīng)(3)轉(zhuǎn)化為有效形核相TiB2,但該反應(yīng)極其緩慢[43],長時間的反應(yīng)易使早期生成的TiAl3和TiB2長大,反應(yīng)生成AlB2還會消耗有限的B,不利于獲得細(xì)小彌散的TiAl3和TiB2顆粒。因此,應(yīng)在氟鹽反應(yīng)過程中避免AlB2的生成(式(2))。在氟鹽反應(yīng)產(chǎn)物控制方面,由圖3可知,當(dāng)反應(yīng)溫度T為933～1 400 K時,生成TiAl3、TiB2和AlB2的吉布斯自由能均小于零,反應(yīng)都能自發(fā)進(jìn)行,且ΔG Τ Θ (TiB2)<ΔG Τ Θ (TiAl3)<ΔG Τ Θ (AlB2),即TiB2的反應(yīng)生成趨勢最大,TiAl3次之,AlB2最小。理論上講,由于AlB2的反應(yīng)生成趨勢最小,可適當(dāng)縮短反應(yīng)時間,從而避免AlB2的生成;另外,可考慮將KBF4和K2TiF6按2∶1(物質(zhì)的量比)均混后加入到Al熔體中,通過反應(yīng)(4)生成TiB2,待反應(yīng)(4)結(jié)束后,再加入適量的K2TiF6,通過反應(yīng)(1)生成TiAl3,并結(jié)合快速冷卻的方法,以實現(xiàn)Al-Ti-B細(xì)化劑的TiAl3、TiB2細(xì)小彌散化和無AlB2化[45]。

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本文編號：3315831