纳米TiN/Ti细化剂对铝及铝合金组织与性能影响的研究

论文摘要

铝合金具有比强度与比刚度高、抗冲击性能好、加工性能好、耐腐蚀、耐磨损、高导电、高导热及高的回收再生率等一系列优良的性能，在航空航天、武器装备及汽车工业等领域得到了广泛的应用。晶粒细化是获取优质铝锭、改善铝材质量、提高铝材综合力学性能和加工性能的重要手段。在常用的晶粒细化技术中，外加超细陶瓷颗粒能作为形核质点，提供大量的弥散质点以促进非均质形核，在凝固及轧制变形过程中均可使铝及铝合金组织细化。该方法具有良好的可控性，能克服内生颗粒法在生成颗粒的数量及其大小的不确定性和难以把握性的缺点，适用于工业化生产，近年来受到国内外学者的关注。但是由于外加颗粒与金属液润湿性较差，一直制约着该细化技术的发展。因此，改善超细陶瓷颗粒与铝液的润湿性，提高其形核能力，对细化铝合金组织、发挥其性能优势具有重要意义。本文利用高能球磨法制备出一种金属Ti包覆纳米TiN颗粒的复合晶粒细化剂，研究了该细化剂对工业纯铝细化效果的影响及其在工业纯铝熔体中的抗衰退性能，探讨了细化机理和抗衰退机理；考察了该细化剂对工业纯铝焊缝组织和性能的影响，及其对变形工业纯铝再结晶过程中晶粒尺寸的控制作用；并研究了该细化剂对Al-4Cu合金铸态组织及固溶时效处理后性能的影响，取得了如下实验结果。TiN/Ti细化剂对工业纯铝有明显的细化作用，当TiN/Ti加入量仅为0.025%时，试样组织便由粗大的柱状晶转变为细小等轴晶；当TiN/Ti复合细化剂添加量分别为0.1%和0.2%时，纯铝的平均晶粒尺寸分别细化至146μm和82μm，其细化效果优于纯Ti和Al-5Ti-1B细化剂。TiN/Ti晶粒细化剂在60min内抗衰退性能较好，晶粒尺寸长大不超过30%，TiN/Ti细化剂优良的细化效果和较好的抗衰退性能来源于纳米TiN颗粒在铝液中的分散性和稳定性。TiN/Ti晶粒细化剂对焊缝组织的细化有明显的效果，对添加0.1%TiN/Ti细化剂的铝片进行焊接时，焊缝组织以等轴晶为主，焊缝硬度明显高于母材。TiN/Ti细化剂对再结晶过程中控制晶粒尺寸有积极的作用，40%冷变形的工业纯铝经250℃保温处理1.0h后，添加0.1%Ti粉的试样晶粒长大较为明显，而添加0.1%TiN/Ti的试样，因变形导致的晶粒取向性分布已消除，晶粒没有明显增粗，而且在晶界处形成新的再结晶晶粒，使组织得到进一步细化。TiN/Ti细化剂能明显细化Al-4Cu合金的初生α相，添加0.2%TiN/Ti细化剂后α相平均尺寸细化至152μm，较未加细化剂试样减小50%，其布氏硬度为47.5HBS，较未添加TiN/Ti细化剂的Al-4Cu合金提高了10.7%。TiN/Ti细化剂能改善Al-4Cu合金固溶时效处理后的性能，添加了0.2%的TiN/Ti细化剂的试样，其时效硬度峰值为106HV，比未加细化剂的88HV提高了20%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 铝合金细化剂的发展及应用现状
• 1.3 外加第二相粒子对金属的作用
• 1.4 本文的研究目的及研究内容
• 2 TiN/Ti 细化剂对纯铝的细化效果及其抗衰退性能
• 2.1 试验材料及试验过程
• 2.2 TiN/Ti 细化剂的细化效果
• 2.3 TiN/Ti 细化剂的抗衰退性
• 2.4 本章小结
• 3 TiN/Ti 细化剂对纯铝焊缝和形变再结晶组织的影响
• 3.1 试验材料及试验过程
• 3.2 TiN/Ti 细化剂对纯铝焊缝组织与硬度的影响
• 3.3 TiN/Ti 细化剂对形变再结晶组织的影响
• 3.4 本章小结
• 4 TiN/Ti 细化剂对 Al-4Cu 合金组织与性能的影响
• 4.1 试验过程
• 4.2 TiN/Ti 细化剂对 Al-4Cu 合金铸态组织和硬度的影响
• 4.3 TiN/Ti 细化剂对 Al-4Cu 合金固溶时效后硬度的影响
• 4.4 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 1 攻读硕士学位期间发表的论文