AlAl-Ti-B晶粒细化机理.doc

《AlAl-Ti-B晶粒细化机理.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、Al/Al-Ti-B晶粒细化机理摘要：Al-Ti-B是很多Al合金运用最广泛的细化剂。然而，经过60年的深入研究，晶粒细化的确切机制尚不清楚。本工作的目的是使我们进一步了解涉及Al-Ti-B系晶粒细化剂的晶粒细化机制。广泛的高分辨率电子显微镜的调查证实了在(0001)TiB2表面存在富Ti膜，这是最有可能是二维(112)Al3Ti复合。进一步的实验进行了调查了解TiB2颗粒的效力和二维Al3Ti的稳定性。我们的研究结果表明，TiB2颗粒的效力的显著增加是通过在其表面形成单层二维Al3Ti。二维Al3Ti在集

2、中Al-Ti溶液的液态Al/TiB2界面形成，尽管溶于稀Al-Ti溶液，但是两者的形成和二维Al3Ti溶解的相对缓慢。Al-5Ti-1B晶粒细化剂显著细化晶粒直接归因于在添加晶粒细化剂之后强化了TiB2颗粒的效力和二维Al3Ti和溶解有足够的游离Ti实现柱状晶向等轴晶转变。关键词：晶粒细化；形核；铝；TiB2；界面层1前言铝合金晶粒细化是可取的因为它有利于铸造工艺，减少铸造缺陷，因此可以提高铸件质量[1]。实现晶粒细化铸态组织，通过晶粒细化剂的添加化学接种已经成为一种常见的工业应用[2]。最广泛使用的铝合金

3、晶粒细化剂的Al-Ti-B中间合金（所有成分重量%，除非另有规定），其中包含了在铝基金属间化合物Al3Ti和TiB2粒子。Al-Ti-B中间合金含有2.8%的过剩Ti大于TiB2的化学计量比(即2.2:1，%)。Al-Ti-B中间合金对大多数形核过冷度小于1K铝合金的晶粒细化非常有效[2]。从介绍Al-Ti-B系晶粒细化剂已经超过60年[3]，已作出了巨大的努力去理解晶粒细化的机制，这已成为一些综述文章的主题（例如，[2,4,5]）。然而，直到现在，涉及Al-Ti-B晶粒细化剂的确切细化机制尚未达成共识[5

4、]。在上世纪50年代，Cibula首先提出硬质合金碳-硼化物粒子理论[3]。这个理论提出了溶液中未溶解的TiB2作为非均匀形核的核心。然而，Mohanty和Gruzleski[6]观察到硼化物被推到晶界，是在没有Ti溶质的情况下没有观察到晶粒细化。这否定了硬质合金C-B化物粒子理论。同样，AlB2颗粒（在铝熔体中比TiB2颗粒熔体不稳定）不作为非均匀形核核心[7]。在上世纪50年代早期，Crossley和Mondolfo[8]提出了包晶理论和硬质合金C-B化物粒子理论相似。这个理论推测Al3Ti，不是TiB

5、2，通过包晶反应为α-Al提供形核。有实验结果支持包晶理论。例如，Marcantonio和Mondolfo[9]，Maxwell和Hellawell[10]表明，和TiB2相比，在Al3Ti的存在下，α-Al成核需要一个较小的过冷度，表明Al3Ti是比TiB2更有效的成核剂。Davies[11]等人观察到了Al3Ti颗粒的中心并提出Al3Ti可能是形核的核心。然而，在Al-Ti-B中间合金细化铝合金晶粒过程中，通过中间合金添加到熔体中的自由Ti的含量通常低于0.01%，这比包晶反应所需的Ti水平低得多(0.

6、15%)。因此，Al3Ti不是热力学稳定的亚包晶原因。例如，Johnsson[12]指出温度保持在775℃，Al溶解可能需要超过1分钟，但绝对不超过5分钟。Jones和Pearson[7]认为，所有的铝溶解在熔融铝中小于30秒。虽然溶解时间取决于保温温度、Al3Ti颗粒的大小，但是得到的共识是，Al3Ti迅速溶解的铝液相线以上，因此的包晶反应在热力学上是不可行的。Al3Ti在亚包晶合金在凝固过程中负责细化，其他因素共同作用。Vader[13]等人和Backerud[14]等人在上世纪90年代初提出的包晶壳理

7、论。这一理论认为，Al3Ti是比TiB2更有效的形核剂，并试图解释硼化物是如何增强铝的稳定性。这一理论认为，硼化物在铝周围形成外壳，并减缓了铝的溶解。Al最终溶解并剩下液体晶胞大约为包晶成分，包晶反应可以形成铝。此外，Marcantonio和Mondolfo[15]认为硼添加剂可以合理地改变相位图，因此即使在较低的浓度下Al3Ti也能稳定。然而，一些研究人员（例如，参考文献。[7、16]）研究了Al-Ti-B相图富铝角，表明硼对Al-Ti相图几乎没有影响。因此，成核过程不能纯粹基于试图修改发生包晶反应条件的

8、理论解释。TiB2和Al3Ti都已在Al晶粒中察到[6]。普遍认为TiB2和Al3Ti都可以作为铝的形核核心[17]，尽管Al3Ti比TiB2更有效[3]。众所周知，掺入少量过量的Ti(小于0.15%)在熔体可以导致晶粒尺寸急剧减少与单独使用TiB2相比，晶粒细化。随后，添加TiB2和少量过量Ti的需要导致理论发展。包晶核理论是由Jones[18]提出来的，他认为Ti原子在熔体的熔体相隔离接口和随后推动了一个类似