Al-Ta中间合金及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于细化铝或铝合金中α -Al晶粒的含钽元素的铝基中间合金细化剂及其制备方法，属于金属合金材料技术领域。
[0002]
【背景技术】
对铝及其合金进行晶粒细化是改善材料组织结构和表面质量、提高铸造工艺性能及力学性能的一种重要方法。在一些铸造铝合金和变形铝合金的生产中，常采用向熔体中添加Al-Ti中间合金的方式进行晶粒细化。
[0003]Ti元素在Al-Ti中间合金中主要以TiAl3化合物粒子的方式存在。目前市场上常见的商用Al-Ti中间合金所含TiAl3粒子为多面体块状或长条状，尺寸一般为几十微米甚至100微米以上。这样的Al-Ti中间合金加入到待处理的铝合金中后，TiAl3化合物粒子因熔点较高熔化非常缓慢，最终残留在铝合金中。从材料力学的角度进行分析，铝合金受力时这些大尺寸粒子处容易产生微观应力集中，导致铝合金力学性能下降；大尺寸的TiAl3粒子即意味着Ti元素偏析于TiAl3粒子所在局部区域，导致Al-Ti中间合金细化效率(一定数量的钛元素所达到的晶粒细化效果)下降的问题，由于Ti元素原子在待细化的铝合金中分布不均，可能又会带来晶粒细化后铝合金晶粒尺寸不均匀的问题。综上分析，实际生产需要提供含有分布均匀和较小尺寸(3微米以下较为理想)TiAl3粒子的Al-Ti中间合金。但是由于在Al-Ti中间合金制备过程中TiAl3化合物很容易长大，这样的Al-Ti中间合金制备较为困难。
【发明内容】
[0004]
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种新型的Al-Ta中间合金细化剂，该中间合金所含有的TaAl3形核粒子尺寸细小，分布均匀，晶粒细化效率高于Al-Ti中间合金，在一些应用场合可替代Al-Ti中间合金对铝合金进行晶粒细化。
[0005]本发明还公开了该Al-Ta中间合金的制备方法。
本发明的技术方案如下:
一种Al-Ta中间合金，其化学成分由以下质量百分比的组元构成:Ta 0.3-20%,富铈混合稀土 0-0.35%，其余为Al。
[0006]所述的富铈混合稀土的主要成分(质量百分含量):Ce 60%, La 25%、Pr 4%、Nd10%，其余为杂质。
[0007]
上述中间合金中的Ta元素主要以TaAl3化合物粒子的方式镶嵌于铝基体中。
[0008]所述TaAl3化合物粒子为多面体或球状，具有体心四方晶体结构，粒子尺寸主要在0.1-3微米范围内。
[0009]如上所述Al-Ta中间合金的一种制备方法，其特征是由以下步骤组成:
(I )按所欲做Al-Ta中间合金的总质量m及含钽和富铺混合稀土的比例(钽和富铺混合稀土的含量分别为n%和k%)成分比例称取原料纯铝(纯度99.7wt.%或以上)、K2TaF7(纯度99wt.%或以上)和富铈混合稀土。其中纯铝质量为m (1-0.0075η)克，K2TaF7质量为0.02169mn克，富铈混合稀土质量为0.0lmk克；
(2 )将纯铝在熔化炉内熔化至690-740°C后再加入富铈混合稀土，富铈混合稀土熔化后搅拌铝熔体使之成分均匀；
(3 )将K2TaF7分批加入纯铝熔体中，每批K 2 TaFj^质量是铝熔体质量的5_10%，每批次加入后反应5-15分钟，然后再加入下一批；
(4 )K2 TaF7全部加入并反应后，将合金熔体上层不同于金属熔体的液体倒出，再将剩余铝合金熔体倒入冷却模具中，冷却后即得Al-Ta中间合金。
[0010]如上所述的Al-Ta中间合金制备方法，其特征是原WK2TaF7为粉末，粉末颗粒尺寸为0.1-100微米。
[0011]如上所述的Al-Ta中间合金制备方法，其特征是将K2 TaF7W入纯铝熔体后，在熔体反应过程中对熔体用碳棒进行搅拌，搅拌速率为80-200转/分钟。
[0012]上述中间合金的制备方法中，将K2 TaF7W入铝液后发生如下化学反应:
3KZ TaF7 + 14Α1 = 6KF + 5A1F3+ 3TaAl3
其中的KF和AlF3以液体形式漂浮于合金熔体上层，TaAl 3固体粒子进入铝熔体中。
[0013]制备方法中，通过加入微量富铈混合稀土，再附以控制K2 TaF7尺寸、分批加入K 2TaF7及进行熔体搅拌等措施能够控制TaAl 3粒子的形核与长大过程，使之具有合适的细小粒子尺寸且在熔体中分布均匀。
[0014]本发明提供的Al-Ta中间合金，TaAlji子尺寸细化小、在基体中分布均匀，加入到待细化的铝或铝合金中后Ta元素分布均匀，因此能够避免大粒子尺寸带来的各种问题。以相同的Ti和Ta原子数加入量进行比较，本发明提供的Al-Ta中间合金对铝的晶粒细化效率大大高于Al-Ti中间合金且获得均匀的晶粒组织(图5和图6结果给出示例)。在需要Al-Ti中间合金进行晶粒细化的合金中，可用Al-Ta替代Al-Ti中间合金，在满足某些其它物理或化学性能的前提下又能获得更理想的晶粒细化效果。
【附图说明】
[0015]图1为实施例1所制Al_17Ta中间合金的扫描电镜低倍组织结构图。用扫描电镜附带的能谱仪分析表明图中白色粒子为TaAl3，灰色相为铝基体。TaAl3具有四方晶体结构。
[0016]图2为实施例1所制Al_17Ta中间合金的扫描电镜高倍组织结构图。图中白色粒子为TaAl3，灰色相为铝基体。
[0017]图3为实施例1所制Al_17Ta中间合金中TaAl3S子的扫描电镜能谱图，表明粒子由Ta和Al元素组成，两元素的原子数比例为1:3。
[0018]图4为未细化工业纯铝(纯度为99.7wt.%)的宏观晶粒组织图。
[0019]图5为添加实施例1所制备Al_17Ta中间合金后工业纯铝(纯度为99.7wt.%)的宏观晶粒组织图。Ta原素的添加比例为:原子数百分比0.015%。
[0020]图6为添加国内某公司所生产的Al-1OTi中间合金后工业纯铝(纯度为99.7wt.%)的晶粒组织宏观图。Ti原素的添加量为:原子数百分比0.015%。
[0021]图4、5、6中晶粒细化除所用中间合金区别之外，其余条件完全相同。
[0022]图7为图6晶粒细化所用国内某公司所生产的Al-1OTi中间合金的扫描电镜组织结构照片。图中灰色相为基体铝，浅白色的粒子为TiAl3。
[0023]
【具体实施方式】
[0024]下面通过具体实施例对本发明做进一步的阐述，需要说明的是，下述实施例仅是为了解释本发明，并不对
【发明内容】
进行限定。
[0025]实施例1
Al-17Ta中间合金，其化学成分由以下质量百分比的组元构成:Ta，17%，富铈混合稀土 0.2%，其余为Al。Ta元素主要以多面体或球状TaAl3化合物粒子的方式镶嵌于铝基体中，具有体心四方晶体结构，粒子尺寸主要在0.1-3微米范围内，其显微组织结构见图1、2、3所示。国内某公