Al-Ti-C晶粒细化剂合成过程C-Al界面润湿与反应行为

论文摘要

与Al-Ti-B相比,Al-Ti-C具有更加优异的晶粒细化效果。但由于铝液对C的润湿性差,使其合金化困难,难以实现Al-Ti-C细化剂的工业化生产与实际应用。本文针对Al-Ti-C晶粒细化剂合成过程中的本质问题-Al/C界面间润湿与反应行为,重点研究Al-Ti-C晶粒细化剂合成反应过程中的组织形成机制,及合成参数对其组织演变规律的影响,并通过对Al-Ti-C晶粒细化剂细化机理以及细化衰减机制等的实验研究与细化性能验证,优化液-固反应法制备Al-5Ti-0.25C中间合金的相关条件,解析合成机制。研究工作的主要成果和结论如下:（1）设计制造了用于界面润湿与反应研究的座滴式润湿装置和气体保护的反应装置。座滴式润湿装置,通过真空条件和特殊结构设计,能够消除氧化膜对Al/C界面润湿性的不良影响,实现了润湿过程的直接观察和对润湿参数的准确测量;气体保护反应装置,用于Al/C界面反应行为的研究。（2）在熔剂辅助润湿条件下,实现了Al/C界面的润湿。研究中发现随着钛含量的增加和温度的升高,以及润湿剂的KF/AlF3比值的升高,反应体系中的界面张力减小,Al/C界面的润湿性提高。（3）在熔剂辅助润湿的反应体系中,K2TiF6盐在润湿剂中的比例存在一个定值,高于这个值时,TiAl3向熔融的润湿剂中扩散,两者发生乳化现象,呈现乳化态。（4）K2TiF6在一定温度下分解释放出活性Ti,在熔剂中扩散到石墨的表层,并与其反应生成TiC颗粒。（5）细化实验时的最优化工艺参数为:细化时间为5～10min;细化剂添加量合理值为0.2%;保温温度为710℃。（6）α-Al可以在TiC粒子团表面直接形核;当形核粒子一定的情况下,Al熔体中Ti含量是决定α-Al长大速度的主要因素,Ti含量较低时,表现为其抑制作用较小,且使TiCx的形核活性不足,容易形成柱状晶组织,而Ti含量较高时,其抑制作用会使部分α-Al不能自由生长,最终形成粗大的等轴晶组织。（7）细化剂的细化衰减机制为:随着保温温度的延长,TiC在铝熔体中不稳定,会促使Al4C3的形成,从而使TiC出现“中毒”现象而失去形核活性;随着保温时间的延长,TiC粒子周围富Ti微区的Ti逐渐扩散而均匀的分布到铝液中,从而使TiC或未完全溶解的TiAl3颗粒周围的Ti原子富集区消失。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.1.1 选题背景
• 1.1.2 晶粒细化的意义
• 1.2 晶粒细化的方法
• 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（添加晶粒细化剂）
• 1.3 不同细化方法的效果评价
• 1.4 铝晶粒细化剂的发展史
• 1.5 Al-Ti-C晶粒细化剂的现状分析
• 1.5.1 Al-Ti-C晶粒细化剂的细化机理
• 1.5.2 Al-Ti-C晶粒细化剂相组成
• 1.5.3 Al-Ti-C晶粒细化剂的制备工艺
• 1.5.4 Al-Ti-C晶粒细化剂制备过程的本质问题
• 1.6 本课题的研究目的、意义和研究内容
• 1.6.1 本课题的研究目的和意义
• 1.6.2 课题的研究内容
• 第2章 实验材料和实验方案
• 2.1 Al-Ti-C中间合金制备方法的选择
• 2.2 实验材料及实验设备和装置
• 2.2.1 实验材料的选择
• 2.2.2 实验设备及装置
• 2.3 实验过程
• 2.3.1 制备预制块
• 3）_E'>2.3.2 制备共晶盐（KF-AlF₃）_E
• 2.3.3 制备Al-5Ti-0.25C细化剂
• 2.3.4 制备铝钛合金以及润湿性实验
• 2.3.5 细化性能实验
• 2.4 实验结果分析与测试方法
• 2.4.1 试样的制备
• 2.4.2 试样分析方法
• 第3章 铝碳界面润湿与反应行为
• 3.1 引言
• 3.2 润湿与反应装置
• 3.3 真空熔滴润湿装置
• 3.4 润湿与界面反应特性研究
• 3.4.1 Al/C界面润湿性研究
• 3.4.2 有无润湿剂参与反应的结果对比与分析
• 3.4.3 润湿剂量对结果的影响
• 3.4.4 润湿反应过群中的乳化现象
• 3.4.5 润湿角测量结果
• 3.5 本章小节
• 第4章 Al-Ti-C晶粒细化剂合金合成过程研究
• 4.1 引言
• 3和TiC形态及形成机制'>4.2 TiAl₃和TiC形态及形成机制
• 3和TiC形态的影响'>4.2.1 石墨形态和反应时间对TiAl₃和TiC形态的影响
• 3和TiC形态的影响'>4.2.2 铝粉和润湿剂对TiAl₃和TiC形态的影响
• 3和TiC形成的热力学分析'>4.3 TiAl₃和TiC形成的热力学分析
• 4.4 Al-Ti-C晶粒细化剂合金合成过程中的溶解-析出机制
• 4.5 本章小结
• 第5章 Al-Ti-C晶粒细化剂合金细化行为的研究
• 5.1 引言
• 5.2 不同工艺参数对细化性能的影响
• 5.2.1 两种细化剂合金的对比
• 5.2.2 抗衰减能力随保温时间的变化
• 5.2.3 细化能力随细化剂添加量的变化
• 5.2.4 细化能力随温度的变化
• 5.3 细化剂细化机制的探讨
• 5.4 细化剂衰减机制的探讨
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢