尹冬松，趙繼濤，張忠凱，韋霞軍，安勇良，張春雨，王春陽王振鈴，李　州，龐前濤，李青山，陳　睿

（1黑龍江科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150022；2.哈爾濱東盛金屬材料有限公司，黑龍江哈爾濱150000）

Mg-30%Gd對Al-5Ti合金中TiAl3粒子尺寸分布影響

尹冬松1，趙繼濤1，張忠凱2，韋霞軍1，安勇良1，張春雨2，王春陽2王振鈴1，李州2，龐前濤1，李青山2，陳睿2

（1黑龍江科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150022；2.哈爾濱東盛金屬材料有限公司，黑龍江哈爾濱150000）

研究了研究了Mg-30%Gd對Al-5Ti中間合金微觀結(jié)構(gòu)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：Al-5Ti合金基體上存在大量均勻分布的條狀的Al-Ti粒子，添加Mg-30%Gd后，合金中Ti-Al粒子形貌，尺寸及分布發(fā)生顯著變化，當(dāng)其添加量為1%時，合金中TiAl3粒子的徑向尺寸由20μm降低到5μm～10μm，繼續(xù)增加添加量至2%時，合金基體上Ti-Al-粒子尺寸變化不大，合金基體上突現(xiàn)大量大尺寸的氣孔；采用掃描電鏡進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)Al-5Ti中間合金基體上無夾雜，粒子與Al基體的界面干凈，能譜分析結(jié)果表明，粒子中Al∶Ti原子比接近3∶1.對比Al-5Ti和添加1%Mg-30%Gd后細(xì)化劑的細(xì)化效果，發(fā)現(xiàn)添加1%Mg-30%Gd后，加入Al-7Si合金后，細(xì)化效果顯著提高。

A l-5Ti；Mg-30%Gd；微觀組織；細(xì)化

鋁合金質(zhì)量輕，導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及耐蝕性好的優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、汽車及電子等領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用，但鋁合金在鑄造過程中存在鑄態(tài)組織粗大的問題，特別是存在大量的柱狀晶，造成鋁合金力學(xué)性能顯著降低，并顯著降低了鑄造鋁合金的加工性能。因此，在鋁合金鑄造與加工過程中，需要采取各種措施對鋁合金的凝固組織進(jìn)行細(xì)化，來獲得細(xì)小和均勻的等軸晶組織。

目前，細(xì)化鋁合金鑄態(tài)組織的方法主要是在鋁合金熔體中添加少量的中間合金細(xì)化劑，常用的細(xì)化劑有Al-5Ti、Al-10Ti、Al-5Ti-1B等，主要是利用Ti和B的金屬間化合物來細(xì)化合金；以往制備的Al-Ti及Al-Ti-B等細(xì)化劑是采用氟鹽法制備，其基本原理如下：3K2TiF6+13Al→3Al3Ti+3KAlF4+K3TiF6，6KBF4+3K2TiF6+10Al→TiB2+9KAlF4+K3AlF6[1]，但會產(chǎn)生大量的雜質(zhì)，并且會產(chǎn)生由于TiAl3和TiB2相易聚集沉淀而失去作用；近年來，又開發(fā)出多種細(xì)化劑，如AlTiC、AlTiCRE、AlTiBe、AlTiSr、AlTiCB等；其中稀土元素能夠清除細(xì)化劑中雜質(zhì)并細(xì)化其基體上的第二相[2-5]。而稀土元素眾多，不同元素的影響也有差異，因此，有必要對稀土元素的影響作系統(tǒng)的研究。在以往研究中發(fā)現(xiàn)，Mg元素能夠激發(fā)稀土元素的細(xì)化效果[6]，從而可以考察鎂稀土中間合金對Al-5Ti細(xì)化劑的微觀組織及細(xì)化效果，因此，研究中采用在Al-5Ti中添加Mg-30%Gd，研究Mg-30%Gd含量變化對Al-5Ti[Al-5Ti]合金的微觀組織和細(xì)化效果影響，研究細(xì)化劑對A356鋁合金的細(xì)化效果及Mg-30%Gd的作用，提高其細(xì)化效率的途徑；稀土資源是我國的優(yōu)勢，如果能夠發(fā)揮稀土的細(xì)化優(yōu)勢，將具有重要意義。

1　實(shí)驗(yàn)材料與方法

采用商用Al-5Ti中間合金作為原料，稀土Ce以Mg-30%Gd中間合金形式添加。在真空感應(yīng)爐中進(jìn)行新型Al-5Ti-Mg-Gd細(xì)化劑的熔配。熔煉過程中，交變電磁場產(chǎn)生的渦流對合金熔體進(jìn)行攪拌，以確保中間合金成分均勻。澆注前靜置5min后，澆入預(yù)熱至的石墨型模具中。得到的新型細(xì)化劑試樣，其名義成分為Al-5Ti，Al-5Ti-1（Mg-30%Gd），Al-5Ti-2（Mg-30%Gd）；試驗(yàn)選用Al-7Si鋁合金進(jìn)行晶粒細(xì)化處理試驗(yàn)，用砂型澆注鑄錠。制取金相試樣，并用體積分?jǐn)?shù)為0.5%HF酸進(jìn)行腐蝕。用蔡司金相顯微鏡對金相試樣進(jìn)行觀察分析，用掃描電鏡觀察試樣并用其附帶能譜分析儀對試樣中的第二相進(jìn)行能譜成分分析。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1微觀組織

圖1a）為Al-5Ti合金的微觀組織，可以看出，Al-5Ti合金由灰黑色鋁基體和亮白析出相組成，該相呈短棒狀，有序排列，其徑向尺寸在20μm左右，軸向尺寸波動較大，在200μm以上；添加1% Mg-30%Gd后Al-5Ti合金微觀組織如圖1b）所示，可以看出，添加1%Mg-30%Gd合金后，Al-5Ti合金基體上析出相尺寸顯著降低，軸向尺寸顯著降低，最小尺寸在5μm左右，徑向尺寸顯著降低，在5μm~ 10μm之間波動，圖1c）為添加2%Mg-30%Gd后Al-5Ti合金的微觀組織，可以看出，與添加1% Mg-30%Gd合金的Al-5Ti相比，合金基體上的析出相尺寸變化不大，圖1d）為該合金的低倍（100×）金相組織，可以看出合金基體上分布大量大尺寸孔洞。

圖2a）為Al-5Ti-1（Mg-30%Gd）合金的掃描電鏡像，可以看出合金基體呈灰暗色，基體上有凸起的條狀物和樹枝狀物，為析出相；圖2b）為合金析出相的能譜分析圖，可以看出，Al峰較強(qiáng)，并含有大量的Ti峰，表明析出相主要由Al元素和Ti元素組成；表1為EDS對析出相成分分析結(jié)果，可知，其中Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)為66.51%，Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33.29%，Al∶Ti接近3∶1.

圖1　不同Mg-30%Gd添加量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Al-5Ti合金的金相組織

圖2　Al-Ti相SEM像和EDS分析

表1　Ti-Al相成分分析

圖3為在Al-7Si合金中添加1%Al-5Ti及Al-5Ti-1（Mg-30%Gd）后細(xì)化結(jié)果金相組織，圖3a）Al-7Si中添加1%Al-5Ti的金相組織，可以看出：合金由灰白色的α-Al枝晶和枝晶之間共晶硅組成，圖3b）為添加Al-5Ti-1（Mg-30%Gd）細(xì)化劑后Al-7Si合金的金相組織，可知與圖3a）相比，Al-7Si的二次樹枝晶臂尺寸明顯降低，Al-5Ti-1（Mg-30% Gd）的細(xì)化效果明顯要比Al-5Ti顯著。

圖3　添加不同細(xì)化劑后Al-7Si的金相組織

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

Al-5Ti作為細(xì)化劑主要是Al-5Ti中的Al3Ti的作用，自40年代起，人們就發(fā)現(xiàn)鈦能夠細(xì)化鋁及其合金的晶粒，從而改善力學(xué)性能和加工工藝。其機(jī)理如下：Al3Ti與α（Al）之間存在著晶面及晶格常數(shù)對應(yīng)關(guān)系，故能夠起到細(xì)化晶粒作用，Al3Ti與面心立方晶格結(jié)構(gòu)的α（Al）之間有下述對應(yīng)關(guān)系：（001）Al‖（001）Al3Ti，[100]Al‖[100]Al3Ti，（211）Al‖（001）Al3Ti，兩者的晶格常數(shù)約等于6%，因此Al3Ti能夠作為異質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)，細(xì)化鋁合金；發(fā)生的反應(yīng)如下：

該反應(yīng)為包晶反應(yīng)，在凝固過程中，α（Al）得到細(xì)化。而Al3Ti的尺寸越細(xì)小，彌散，鋁合金的晶粒尺寸越小[7]。

稀土元素在鋁中的固溶度較小，細(xì)化劑中的稀土元素Gd與Al、Ti反應(yīng)而生成了稀土相，但稀土相在熔融鋁液中是極不穩(wěn)定的，很快會被分解[8,9]，Gd原子半徑為0.180 2 nm，Al原子半徑為0.143 nm，小于Gd的原子半徑，當(dāng)鋁合金界面存在缺陷時，很容易就會填補(bǔ)在缺陷處。因此，Gd原子在晶界和相界面吸附偏聚，填補(bǔ)兩相界面的缺陷，并最終形成膜層，阻礙第二相顆粒長大。此外，可使合金潤濕角增大，從而改善鋁液對第二相粒子的潤濕性，使得第二相粒子在α-Al基體中容易鋪展開，阻礙其長大，使其變得更加細(xì)小；在進(jìn)行細(xì)化時,同樣量的第二相粒子越細(xì)小，所提供的形核質(zhì)點(diǎn)就越多，同時也不容易沉淀，細(xì)化效果就會相應(yīng)提高[10，11]。

活化元素Mg對第二相也有一定的吸附作用，并能夠阻礙第二相的生長，這會對第二相形貌產(chǎn)生一定的影響，提高形核率[6]；因此添加一定量的Mg元素，來進(jìn)一步提高稀土Gd對Al3Ti的細(xì)化作用。另據(jù)報道[12]，在Al5Ti細(xì)化劑中添加稀土元素可以除氣、除渣，凈化因氟鹽反應(yīng)而造成的夾雜，也能夠增強(qiáng)細(xì)化效果。但當(dāng)Mg-30%Gd含量增加到2%時，由于Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高，引起稀土和鎂元素的氧化燒損，對Al3Ti的細(xì)化效果并沒有明顯提高，合金熔體Mg元素增加導(dǎo)致細(xì)化劑中氫元素的顯著增加，因此增加了合金中的氣孔。

3　結(jié)論

1）Al-5Ti的組織由α-Al相和Al-Ti粒子組成，Al-Ti粒子呈條狀，徑向尺寸為20μm~30μm，其中Al∶Ti接近3∶1；

2）在Al-5Ti合金中添加1%Mg-30%Gd后，Al-Ti粒子尺寸顯著降低，徑向尺寸降低至5μm~ 10μm，軸向上發(fā)生斷離；

3）對于Al-7Si合金Al-5Ti-1%（Mg-30%Gd）的細(xì)化效果明顯比Al-5Ti-顯著。

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Effects of M g-30%Gd on Dimensions Distribution of TiAl3Particles in Al-5Ti Alloys YIN Dong-song1,ZHAO Ji-tao1,ZHANG Zhong-kai,WEIXia-jun1,ANYong-liang1，ZHANGChun-yu2,

WANG Chun-yang2,WANG Zheng-ling1,LIZhou2，PANGQian-tao1,LIQing-shan2,CHEN Rui2
（1.School ofMaterials Science and Engineering,Heilongjiang University of Science and Technology,Harbin heilongjiang 150022，China；2.Dongsongmetalmaterials CO.LTD.，Haerbin heilongjiang 150000，China）

This paper studied the effects of Mg-30%Gd on the microstructure of Al-5Ti master alloy.Experimental results showed that a large number of strips of Al-Ti alloy particles distributed in thematrix Al-5Ti.Adding Mg-30%Gd,the morphology, size and distribution of Ti-Al alloy particle had a significant change.When added an amount 1wt%,the radial dimension of TiAl3 particles in the alloy droped from 20 microns to 5-10 microns.When increasing the addition amount of 2wt%,TiA l3particle size changed little,but lot of poreed with the large size were found on the alloy matrix.Based on the scanning electron microscope（SEM）,Ti-Al alloy had no inclusion on thematrix.The interface of particles and matrix was clean.EDS analysis showed that the atomic ratio of A l and Ti in particles was close to 3∶1.The refining effect of alloy added 1wt%Mg-30%Gd had a significantly improvementafter joining Al-7Sialloy.

Al-5Ti,Mg-30%Gd，microstructure，refine

TG146

A

1674-6694（2015）04-0022-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.04.010

2015-06-07

尹冬松（1974-），男，黑龍江省慶安縣人，工學(xué)博士，副教授，主要從事輕合金材料制備及性能研究

黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計劃項目（No. GC13A104）