自蔓延合成Al-Ti-C中间合金结构与性能研究

论文摘要

自蔓延合成技术因其合成迅速、工艺简单、节能等优点成为制备化合物及复合材料的新技术。特别是铝及铝合金的新一代晶粒细化剂Al-Ti-C中间合金的制备中显示出独特的优越性,自蔓延合成方法较好地解决了产物TiC含量低、细化相TiAl3、TiC分布不均等问题。虽然自蔓延合成法制备TiC/Al复合材料的研究已取得很大进展,但是对自蔓延合成Al-Ti-C中间合金晶粒细化剂的反应过程、组织转变规律及结构形成机理研究甚少,自蔓延合成法制备的Al-Ti-C中间合金还未曾接受工业化应用评价,还有需要解决的问题。本文采用激光引燃自蔓延合成技术制备Al-Ti-C中间合金。探讨了激光工艺参数对自蔓延合成Al-Ti-C中间合金的产物相组成及组织形貌的影响。激光器工作参数对制备的中间合金组织特征影响很大,通过对激光器工作参数的调整,制备出内含数量适中、形貌良好、弥散分布TiAl3和TiC颗粒的中间合金。采用X-ray衍射仪、电子探针、扫描电镜和差热分析仪检测中间合金的形成机制及组织形态。合成的Al-Ti-C中间合金由针状TiAl3和TiC粒子两相组成;在自蔓延过程中,在680℃时出现块状TiAl3,700℃时TiAl3由块状转变为近球状;780℃时TiAl3转变为针状;850℃时,针状TiAl3开始分解并出现少量的TiC粒子,此时C在铝液中没有润湿;1000℃时,C在铝液中完全润湿,TiAl3分解完毕,生成的是TiC粒子。最终,TiAl3在过饱和Al-Ti熔体中析出,呈现颗粒状,合成后的Al-Ti-C中间合金由块状TiAl3、TiC粒子和Al三相组成。预制样中添加TiH2对制备出的Al-Ti-C中间合金的微观组织有重要影响。TiH2的加入使合成颗粒TiAl3和TiC分布弥散、直径约0.5-1μm,中间合金组织形貌及构成良好。研究了中间合金的微观形貌、添加量、保温时间、保温温度、Ti/C质量比和稀释处理等工艺参数对纯铝细化效果的影响。细化实验表明,考虑生成相的存在形式以及工业生产等因素,保温温度选择在750℃,保温时间为5min。选用Ti/C比为8,添加量为0.1%的中间合金,细化工业纯铝性能最为理想（平均晶粒尺寸110μm）。预制样中添加TiH2制备出的中间合金细化纯铝,细化后晶粒平均尺寸100μm。采用稀释后的中间合金进行细化工业纯铝,细化效果更为理想平均晶粒尺寸约95μm。结合试验验证了“Ti在TiC颗粒表面富集生成AlTi3C过渡区承担异质形核核心”的晶粒细化机制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 第一章 绪论
• 1.1 铝及铝合金晶粒细化的意义
• 1.2 晶粒细化方法
• 1.2.1 快速凝固法
• 1.2.2 动力学方法
• 1.2.3 成分过冷法
• 1.2.4 深过冷去核法
• 1.2.5 外来形核质点法（添加细化剂）
• 1.2.6 不同细化方法的比较
• 1.3 晶粒细化剂的发展
• 1.3.1 国外研究状况
• 1.3.2 国内的研究状况
• 1.4 细化铝晶粒的Al-Ti系中间合金
• 1.4.1 Al-Ti中间合金
• 1.4.2 Al-Ti-B中间合金
• 1.4.3 Al-Ti-C铝晶粒细化用中间合金
• 1.5 细化机理
• 1.5.1 Al-Ti中间合金的细化机理
• 1.5.2 Al-Ti-C的细化机理
• 1.6 SHS技术的研究进展
• 1.7 课题的主要研究内容
• 2 第二章 材料的制备及实验方法
• 2.1 自蔓延合成装置
• 2.2 中间合金的制备与分析
• 2.2.1 Al-Ti-C中间合金的制备
• 2.2.2 Al-Ti-C中间合金的测试与分析
• 2.2.3 Al-Ti-C中间合金合成过程中相变分析
• 2对合成Al-Ti-C中间合金组织的影响'>2.2.4 TiH₂对合成Al-Ti-C中间合金组织的影响
• 2.3 自蔓延高温合成Al-Ti-C合金细化工业纯铝
• 2.3.1 实验方法及设备
• 2.3.2 Al-Ti-C合金细化工业纯铝的效果评定
• 2.3.3 Al-Ti-C中间合金的稀释处理
• 2.3.4 纯铝细化后的力学性能
• 3 第三章 自蔓延高温合成Al-Ti-C中间合金的工作参数和生成机制
• 2激光器工作参数对中间合金制备的影响'>3.1 CO₂激光器工作参数对中间合金制备的影响
• 2激光器辐照时间对中间合金组织的影响'>3.1.1 CO₂激光器辐照时间对中间合金组织的影响
• 2激光器辐照功率对中间合金组织的影响'>3.1.2 CO₂激光器辐照功率对中间合金组织的影响
• 2对合成Al-Ti-C中间合金组织的影响'>3.2 TiH₂对合成Al-Ti-C中间合金组织的影响
• 3.3 自蔓延高温合成Al-Ti-C中间合金的生成机制
• 3.4 本章小结
• 4 第四章细化实验
• 4.1 SHS合成Al-Ti-C中间合金对工业纯铝的晶粒细化
• 4.1.1 不同添加量的晶粒细化剂细化实验
• 4.1.2 不同保温时间的细化实验
• 4.2 Ti/C质量比对晶粒细化剂的细化能力的影响
• 4.3 TiC颗粒分布对细化效果的影响
• 2的Al-Ti-C中间合金细化行为的影响'>4.4 添加TiH₂的Al-Ti-C中间合金细化行为的影响
• 4.5 Al-Ti-C中间合金稀释对细化的影响
• 4.6 细化后纯铝的显微硬度
• 4.7 Al-Ti-C中间合金对纯铝的细化机理
• 4.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢