高品质Al-5Ti-1B合金线材的制备及其细化性能的研究

论文摘要

晶粒细化是改善材料力学性能,提高材料质量的重要手段。目前,Al-Ti-B合金线材是铝工业中使用最多的晶粒细化剂,然而国内生产的Al-Ti-B合金与国外产品质量相比,还存在一定的差距,主要体现在合金纯净度以及第二相化合物粒子TiAl3、TiB2的形态、大小、分布等方面问题,难以满足高质量的铝板、带、箔及型材生产的需求。而且随着我国铝加工工业的发展,对Al-Ti-B合金晶粒细化剂提出了更高要求。因此,研究开发高品质Al-Ti-B合金晶粒细化剂,对我国铝加工工业发展具有重要意义。本文结合广东省产业共性技术重大科技专项,以制备高品质Al-5Ti-1B合金线材为目标,研究了Al-5Ti-1B合金的制备及其线材的连续铸挤成形,主要工作及研究结果如下：（1）通过对Al-5Ti-1B合金熔体反应机理的分析与合金制备实验的研究,明确了工艺条件对合金组织的影响规律,优化了熔体制备工艺参数。其最佳工艺为氟盐加入比计算量增加5%；加料顺序为先加部分K2TiF6,再加K2TiF6和KBF4混合料；反应温度为860-890℃；反应时间为60-80min；合金化反应过程中加强搅拌。（2）通过对中间包内Al-5Ti-1B合金熔体的电磁搅拌,有效控制了线材成形后合金中的化合物颗粒分布的均匀性,消除聚集与沉淀现象,提高材料的纯净度。搅拌温度直接影响粘滞力的大小,搅拌温度升高有利于化合物颗粒的均匀分布,消除团聚带；电磁搅拌使TiAl3颗粒出现圆化现象；合金熔体最佳电磁搅拌温度为800℃,最佳搅拌时间为30min。（3）利用连续铸挤设备对Al-5Ti-1B合金进行铸挤成形,获得组织优良,表面光洁,无横向周期裂纹的合金线材。铸挤过程中的剪切搓动作用,可以使TiAl3颗粒发生边部剥落和沿裂纹脆断,从而使铸挤出的合金线材组织中化合物颗粒分布均匀,TiAl3呈颗粒块状,尺寸均在30-75μm,TiB2颗粒细小且均匀分散在TiAl3颗粒周围。最佳铸挤工艺为：铸挤温度为800℃；浇注流量为200-250K/h；冷却水流量为10-15L/min;铸挤轮转速为15r/min。（4）通过Al-5Ti-1B合金线材对纯铝细化效果的实验研究,明确了合金组织、细化温度及细化时间对细化效果的影响规律。最佳细化温度为690-710℃,最佳细化时间为0.5-30min。进一步明确了Al-5Ti-1B合金细化剂的最佳组织为：TiAl3颗粒为带棱角的块状,尺寸在30μm左右,TiB2颗粒为细小弥散分布,大小在0.5-1.0μm。（5）通过优化制备工艺、电磁搅拌工艺、线材成形工艺制备出了Al-5Ti-1B合金线材,其成分与组织符合高品质细化剂的要求。经过现场工业应用试验,其细化效果与国外同类产品的细化效果相当。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 铝合金晶粒细化的现状与发展趋势
• 1.1.1 控制凝固细化
• 1.1.2 形变热处理细化
• 1.1.3 变质细化
• 1.1.4 异质形核细化
• 1.2 Al-Ti-B晶粒细化剂的发展
• 1.3 M-Ti-B中间合金的制备方法
• 1.3.1 氟盐铝热反应法
• 1.3.2 氧化物反应法及元素混合法
• 1.3.3 电解法
• 1.3.4 自蔓延高温反应法
• 1.3.5 机械合金化及快速凝固法
• 1.4 Al-Ti-B中间合金的成形方法
• 1.4.1 半连续铸造挤压法
• 1.4.2 连续铸轧法
• 1.4.3 连续铸挤法
• 1.5 本课题研究目的、意义及研究内容
• 1.5.1 本课题的研究目的和意义
• 1.5.2 本课题的研究内容
• 第2章 实验
• 2.1 实验材料
• 2.2 实验设备
• 2.2.1 熔炼反应设备
• 2.2.2 低频电磁搅拌中间包和连续铸挤设备
• 2.2.3 细化实验设备
• 2.2.4 其它辅助设备
• 2.3 工艺参数的确定
• 2.3.1 合金化反应参数
• 2.3.2 电磁搅拌及铸挤成形参数
• 2.3.3 细化工艺参数
• 2.4 实验方案
• 2.4.1 制备实验
• 2.4.2 成形实验
• 2.4.3 细化实验
• 2.5 试样分析与组织观察
• 2.5.1 化学成分分析
• 2.5.2 物相分析
• 2.5.3 组织形貌分析
• 2.5.4 细化效果分析
• 第3章 熔体反应机理及Al-5Ti-1B合金的制备工艺
• 3.1 熔体的反应机理
• 3.1.1 熔体反应方向性
• 3.1.2 熔体反应温度
• 3.1.3 熔体反应时间
• 3.2 化学成分分析
• 3.3 物像分析
• 3.4 微观组织分析
• 3粒子大小与分布'>3.4.1 TiAl₃粒子大小与分布
• 2粒子分布'>3.4.2 TiB₂粒子分布
• 2粒子大小分析'>3.4.3 TiB₂粒子大小分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 Al-5Ti-1B合金熔体电磁搅拌的实验研究
• 3颗粒分布的影响'>4.1 电磁搅拌对TiAl₃颗粒分布的影响
• 3颗粒大小的影响'>4.2 电磁搅拌对TiAl₃颗粒大小的影响
• 3颗粒形态的影响'>4.3 电磁搅拌对TiAl₃颗粒形态的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 Al-5Ti-1B合金线材连续铸挤工艺的实验研究
• 5.1 浇注温度对Al-5Ti-1B合金铸态组织的影响
• 5.2 铸挤温度对Al-5Ti-1B合金连续铸挤态组织的影响
• 3颗粒的脆断机制'>5.2.1 连续铸挤过程中的TiAl₃颗粒的脆断机制
• 3颗粒分布及尺寸的影响'>5.2.2 铸挤温度对TiAl₃颗粒分布及尺寸的影响
• 5.3 铸挤流量与铸挤轮转速对Al-5Ti-1B合金组织的影响
• 5.4 冷却水流量对Al-5Ti-1B合金组织的影响
• 5.5 连续铸挤工艺对Al-5Ti-1B合金表面质量的影响
• 5.6 本章小结
• 第6章 Al-5Ti-1B合金细化工艺及其细化机理的实验研究
• 6.1 Al-Ti-B中间合金的细化机理
• 6.1.1 硼化物理论
• 6.1.2 相图/包晶理论
• 6.1.3 包晶壳理论
• 6.1.4 超形核理论
• 6.1.5 二重形核理论
• 6.1.6 溶质理论
• 6.1.7 自由生长理论
• 6.2 细化工艺条件对纯铝的细化效果的影响
• 6.2.1 细化剂加入量对细化效果的影响
• 6.2.2 细化温度对细化效果的影响
• 6.2.3 细化时间对细化效果的影响
• 6.3 Al-5Ti-1B合金组织对纯铝的细化效果的影响
• 6.4 本章小结
• 第7章 高品质Al-5Ti-1B合金同国内外同类产品对比分析
• 7.1 合金成分比较与分析
• 7.2 物相比较与分析
• 7.3 微观组织比较与分析
• 3颗粒的组织比较与分析'>7.3.1 TiAl₃颗粒的组织比较与分析
• 2颗粒的组织比较与分析'>7.3.2 TiB₂颗粒的组织比较与分析
• 7.4 细化性能分析
• 7.5 本章小结
• 第8章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文及专利