燃燒合成(SHS、CS)因其合成迅速、工藝簡單、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)成為制備化合物及復(fù)合材料的新技術(shù)。特別是在新一代鋁及鋁合金晶粒細(xì)化劑Al-Ti-C中間合金的制備中顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性,燃燒合成方法較好地解決了產(chǎn)物TiC含量低、細(xì)化相Al_3Ti、TiC分布不均等問題。雖然燃燒合成法制備Al/TiC復(fù)合材料的研究已取得很大進(jìn)展,但是對燃燒合成Al-Ti-C中間合金晶粒細(xì)化劑的反應(yīng)過程、組織轉(zhuǎn)變規(guī)律及結(jié)構(gòu)形成機(jī)理研究甚少,燃燒合成法制備的Al-Ti-C中間合金還未曾接受工業(yè)化應(yīng)用評價。本文在國家“863計劃”新材料技術(shù)領(lǐng)域:新型鋁及鋁合金晶粒細(xì)化合金Al-Ti-C及其線材(2003AA33X050)項(xiàng)目的支持下,進(jìn)行以下方面研究: 本文用熱力學(xué)理論,計算了Al-Ti-C燃燒合成反應(yīng)的絕熱溫度,發(fā)現(xiàn)絕熱溫度與預(yù)熱溫度大致呈線性關(guān)系,預(yù)熱溫度提高,反應(yīng)的絕熱溫度也相應(yīng)提高,燃燒合成制備Al-Ti-C中間合金的預(yù)熱溫度應(yīng)大于633K。 采用自蔓延合成、熱爆合成及鋁液中熱爆合成等三種模式制備了Al-Ti-C中間合金,并對其反應(yīng)過程進(jìn)行了比較,掌握了制備Al-Ti-C中間合金的不同工藝要求。探討了工藝參數(shù)對自蔓延合成Al-Ti-C中間合金的合成過程、產(chǎn)物相組成及組織形貌的影響,主要包括原料Ti/C比、壓坯壓力、壓坯直徑、預(yù)熱溫度、碳粉與Ti粉粒度等。發(fā)現(xiàn)自蔓延模式制備的Al-Ti-C中間合金組織形態(tài)優(yōu)于熱爆模式。原料Ti/C比是決定產(chǎn)物中TiC、Al_3Ti相數(shù)量與分布形態(tài)的關(guān)鍵,壓坯壓力、預(yù)熱溫度、碳粉與Ti粉粒度等對燃燒溫度和產(chǎn)物組織形貌有顯著影響。探討了鋁液中熱爆合成Al-Ti-C中間合金的鋁液溫度、Al含量等工藝參數(shù)對反應(yīng)過程以及對產(chǎn)物相組成及組織形貌的影響,發(fā)現(xiàn)隨著鋁液溫度提高、Al含量降低,反應(yīng)體系燃燒溫度升高,中間合金中Al_3Ti相數(shù)量減少,由細(xì)小塊狀向粗大棒狀轉(zhuǎn)變,TiC數(shù)量增多,并出現(xiàn)聚集長大現(xiàn)象。 在873-1473K范圍內(nèi)對Al-Ti-C體系進(jìn)行高溫X衍射分析,結(jié)合反應(yīng)產(chǎn)物斷面形貌SEM觀察,研究Al-Ti-C體系組織轉(zhuǎn)變過程,結(jié)果表明:試樣中Al熔化前未發(fā)生Al、Ti間的固—固擴(kuò)散反應(yīng),873K時反應(yīng)產(chǎn)物中無Al_3Ti生成;973K時出現(xiàn)Al_3Ti,1173K時TiC形成。 利用圓柱體鋼模具成功淬熄了自蔓延合成Al-Ti-C中間合金時壓坯中的燃燒波,得到了不同反應(yīng)程度的產(chǎn)物微區(qū)形貌;另外,通過1073-1173K鋁熔體中熱爆合成Al-Ti-C反應(yīng)壓坯的淬熄實(shí)驗(yàn),得到不同反應(yīng)階段的淬熄組織。通過對不同淬熄區(qū)的產(chǎn)物進(jìn)行相關(guān)的測試分析,認(rèn)為燃燒合成Al-Ti-C中間合金的反應(yīng)過程大致分為以下幾個階段:①預(yù)熱階段的Al熔化過程;②初始反應(yīng)階段的Al-Ti反應(yīng)并析出Al_3Ti過程;③完全反應(yīng)階段Al_3Ti分解,Ti-C反應(yīng)過程④燃燒完成階段的產(chǎn)物冷卻結(jié)晶過程。 提出燃燒合成Al-Ti-C中間合金過程中Al_3Ti的形成反應(yīng)符合反應(yīng)—溶解—析出機(jī)制,即Al熔化后向Ti擴(kuò)散,發(fā)生放熱反應(yīng)3Al(l)+Ti(s)=Al_3Ti(s),最后從飽和Al-Ti熔體中析出Al_3Ti:而TiC形成反應(yīng)存在擴(kuò)散—析出、溶解—析出兩種機(jī)制,即①擴(kuò)散—析出機(jī)制:在低溫區(qū)間,Al_3Ti分解形成活性Ti原子,被碳吸附形成TiCx層,然后Ti、C沿相反方向同時向TiCx層中擴(kuò)散,發(fā)生放熱反應(yīng)[Ti]+C(s)=TiC(s),至TiCx中C濃度達(dá)飽和時析出TiC粒子;②溶解—析出機(jī)制:在高溫區(qū)間,達(dá)到1613K后Al_3Ti熔化形成Al-Ti層,C溶解其中形成Al-Ti-C熔體,發(fā)生放熱反應(yīng)[Ti]+C(s)=TiC(s)最終TiC從飽和Al-Ti-C熔體析出長大。 通過對自蔓延合成Al-Ti-C中間合金的稀釋工藝(壓坯壓力、鋁液溫度、保溫時間等)研究,獲得適合工業(yè)化批量生產(chǎn)的稀釋工藝參數(shù);基于實(shí)驗(yàn)室中對Al-Ti-C合金的制備、組織形態(tài)及細(xì)化性能評價結(jié)果,采用自蔓延合成方法制備20kg新型Al-Ti-C合金鑄錠,并擠壓加工為中間合金絲。新型Al-Ti-C合金絲由Al-TiC-Al_3Ti組成,TiC為球形顆粒,尺寸0.5—1.5μm:Al_3Ti為塊狀,尺寸8—20μm,分散分布。 在工業(yè)化實(shí)際生產(chǎn)條件下評價新型Al-Ti-C合金絲的細(xì)化性能。結(jié)果表明,采用新型Al-Ti-C中間合金絲細(xì)化1235、5052、8011鋁合金的效果與與進(jìn)口Al-Ti-B相當(dāng),三種鋁合金鑄軋卷(錠)晶粒度均達(dá)到一級,力學(xué)性能優(yōu)良,分別加工了0.0065mm箔材和0.014mm家用鋁箔、0.0111mm啤酒封箔材、管材成品共17噸,全部銷于用戶,產(chǎn)品質(zhì)量良好。
【學(xué)位單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2007
【中圖分類】：TG146.21
【部分圖文】：

圖2.12T石粉粒度對反應(yīng)過程的影響另一方面，從自蔓延高溫合成Al一Ti一C合成產(chǎn)物SEM形貌來看，隨著Ti粉粒度減小，合成產(chǎn)物中出現(xiàn)晶粒燒結(jié)現(xiàn)象，如圖2.13(a)所示，而一且產(chǎn)物中還出現(xiàn)了板條狀的A13Ti，這種微觀結(jié)構(gòu)不利于后續(xù)的稀釋處理和晶粒細(xì)化。 (a)<25pm(b)25一7pm

T扭粉粒度對產(chǎn)物微觀組織結(jié)構(gòu)的影響2.2.4.1壓坯壓力圖2.14為不同壓坯壓力對自蔓延反應(yīng)合成Al一Ti一C過程溫度的影響，可見增大壓坯壓力反應(yīng)起始溫度顯著增加:另外，隨著壓坯壓力增大，燃燒溫度Tc出現(xiàn)先升后降現(xiàn)象，壓坯壓力looMPa時，燃燒溫度達(dá)到最大值。一方面，壓坯壓力增大，.試樣的相對密度增加，原料粉末顆粒接觸面積增加，燃燒反應(yīng)時粉粒之間反應(yīng)充分，反應(yīng)放熱增大，導(dǎo)致燃燒溫度升高;另一方面，試樣相對密度增加，熱傳導(dǎo)速度加快

在自蔓延高溫合成反應(yīng)過程中，絕熱溫度TaJ隨預(yù)熱溫度T0的升高而升高。雖然實(shí)際反應(yīng)時的熱損耗較大，很難達(dá)到絕熱條件，但實(shí)驗(yàn)中測得的燃燒溫度Tc隨預(yù)熱溫度T0變化的趨勢仍與理論計算分析結(jié)果基本一致(見第三章)，如圖2.17(a)所示�！痚OOI(a)/’_’當(dāng)/圣’當(dāng)廣\·\_.;’揭’5OO}/\·/鬢’4oo}/’3001/了’200(了，1月洲J呻eses，esee，~se甲eses，eewe丫 600550600650800臺50預(yù)熱溫度 700750T(K)(b)一·一._.\\\一\(的)長宜從盆襯600預(yù)熱沮度T(K)(a)燃燒溫度(b)點(diǎn)火時間圖2.17預(yù)熱溫度對反應(yīng)過程的影響29
【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 張森;韓延峰;王俊;孫寶德;;Al-Ti-C中間合金研究進(jìn)展[J];熱加工工藝;2012年13期

2 丁萬武;趙文軍;夏天東;;熱爆法合成Al-Ti和Al-TiC晶粒細(xì)化劑及其晶粒細(xì)化效果[J];鑄造技術(shù);2008年11期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 張森;Al-Ti-B-C中間合金制備與細(xì)化性能研究[D];上海交通大學(xué);2012年

本文編號：2890548