中间合金作用下纯铝凝固组织的形成机理研究

【摘要】晶粒细化被广泛应用在铝合金加工工业中,然而在各种晶粒细化方法之中,大家认为最有成效而又最简便的方法就是添加中间合金晶粒细化剂,当然这也是铝合金熔体处理技术中的重要的组成部分。但是目前还是缺乏一种既能满足细化后得到细小的等轴晶又不污染环境又能广泛获取的铝合金晶粒细化剂,另外目前有关晶粒细化的机理各抒己见也并未达成共识。就目前的阶段来讲,关于晶粒细化的机理主要有包晶反应理论、相图理论、硼化物理论、碳化物-硼化物理论、亚稳相理论、TiC核心理论、晶体分离理论等,但是这些机理大多只能片面的解释部分的现象,并且由于合金凝固过程本身就很复杂也不排除在某些过程中是几种机理共同作用的结果,也就是说这些理论在-定程度上并不完善仍需要进行继续考究。另外就目前来讲,晶粒细化从经典凝固理论的角度出发分析其热力学原因的相关研究还是比较缺乏的。本文主要研究了不同的浇注温度以及不同的冷却速度对Al.Ti-B.Al-Ti-C.实验室自制Al-TiC以及Al-Ti中间合金作用下纯铝凝固组织的变化,并且利用热分析技术从经典凝固理论的角度分析了添加不同种类不同含量的中间合金对特征温度的影响以及各种热力学参数的影响,分析讨论了这种变化背后的热力学原因,并且在此基础上提出了可能的晶粒细化机理。主要的结论如下：(1)对添加了中间合金(Al-Ti-C,Al-Ti-B,Al-Ti,Al-TiC)的纯铝凝固组织的热力学参数进行分析表明,添加中间合金能够明显地减小纯铝冷却凝固时候的润湿角,同时增大凝固过程的形核率,当向纯铝或者高纯铝中添加中间合金时并且随着合金含量的增加,临界形核温度温度也逐渐升高,熔体凝固时候的润湿角逐渐减小形核率增大,临界形核过冷度也逐渐减小；当向纯铝或者高纯铝中添加中间合金时并且随着合金含量的增加,金属的再辉温度逐渐升高,形核率逐增大,单位体积内的形核数量逐渐增加,凝固后获得的晶粒组织逐渐由粗大变得细小均匀。未添加中间合金的纯铝凝固时候的润湿角较大,同时它的形核率较小,但是当添加了中间细化合金后润湿角变小并且随着中间合金含量的增加润湿角将会进一步的减小从而增加了凝固过程中的形核率。(2)浇注温度对添加了中间合金(Al-Ti-C,Al-Ti-B,Al-Ti,Al-TiC)的纯铝凝固组织有显著的影响。未添加中间合金的纯铝熔体在680℃和730℃这两种浇注温度时,所得的浇注试样外周从表面向中间分布有大量柱状晶,在柱状晶区所包围的中央部分有尺寸较大的少量等轴晶,而当浇注温度为800℃和900℃时,试样几乎全为粗大的柱状晶,浇注温度越高,柱状晶越粗大。当添加了中间合金后在浇注温度为680℃和730℃时,所得的试样组织为细小的等轴晶粒,而当浇注温度为800℃和900℃时,试样外周出现柱状晶,浇注温度越高,柱状晶越多越粗大。当浇注温度为900。C下获得的试样铸锭组织中等轴晶粒的尺寸较大。当中间合金的质量分数小于一定数值的时候,随着熔体的浇注温度升高,铸锭组织中晶粒的尺寸越大。(3)冷却速度对添加了中间合金(Al-Ti-C,AI-Ti-B,Al-Ti,Al-TiC)的纯铝凝固组织有显著的影响。未添加中间合金的纯铝,在不同冷速下的宏观铸态组织试样外周从表面到中间分布有大量的柱状晶,在柱状晶区所包围的中央部分是尺寸较大的等轴晶。在添加中间合金后,观察用宏观腐蚀液腐蚀的纯铝发现组织结构发生明显变化。随着中间合金添加量的增加,铸锭组织中柱状晶减少而细小的等轴晶增多。在中间合金添加量相同时,熔体的凝固冷却速度越快,铸锭组织中等轴晶的数量越多,晶粒也更加细小。(4)随着中间合金添加量的增加,铸锭组织中柱状晶减少而细小的等轴晶增多。在中间合金添加量相同时,由于熔体的冷却速度越快,型壁上生成的大量等轴初晶在熔体中能够保存下来的越多,铸锭组织中等轴晶的数量也就越多,晶粒越细小。随着浇注温度的升高,凝固组织先变小后显著增大认为是高温浇注到铸模中,在浇注时在冷的型壁上产生的游离晶向铸型的中心移动,将被高温溶液再次熔化。而当铸型内的溶液温度降低后,在型壁面上能产生稳定的晶粒时,铸型温度的升高,将减少它与铸型内溶液之间的温度差,其结果是减少了使晶粒游离运动的热对流,又没有浇注时溶液的搅拌振动,从而避免了型壁上晶粒的游离,而形成稳定的凝固壳,使柱状晶很容易地生长。因而在希望得到等轴晶组成的铸锭时,要尽可能降低浇注温度,防止游离晶再次被熔化。由于当铸型的冷却能力过大时,在型壁上密集地形成大量的晶核,导致相靠近的晶粒更容易发生接触而形成稳定的凝固壳,防止晶粒的游离。所以容易发生晶粒游离的液面附近型壁的冷却能力一定不要太大。(5)中间合金作用下纯铝凝固组织中等轴晶的形成是晶粒游离和TiC粒子异质形核双重作用的结果。当中间合金添加量越大,凝固冷却速度和浇注温度的影响越小,笔者认为主要是由于当中间合金合金添加量较大时,“TiC粒子-富Ti过渡区”异质形核在a-A1结晶过程中占了主导作用。本文的创新点就在于：借助于经典凝固理论利用热分析技术分析晶粒细化过程中热力学参数的变化进而分析晶粒细化背后的热力学原因,并在此基础上提出可能的晶粒细化机理。
【作者】赵薪；
【导师】朱福良；
【作者基本信息】兰州理工大学，有色金属冶金，2014，硕士
【关键词】中间合金；晶粒细化；浇注温度；冷却速度；经典凝固理论；细化机理；

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