Al-Ta-Zn中间合金及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于细化铝或铝合金中α -Al晶粒的铝基中间合金细化剂及其制备方法，具体涉及一种Al-Ta-Zn中间合金及其制备方法，属于金属合金材料技术领域。
[0002]
【背景技术】
为了改善和提高材料的表面质量、组织结构、成型工艺性能、耐腐蚀性能及力学性能等，一些铸造或变形铝合金需要向熔体中添加微量的中间合金以对组织结构进行晶粒细化。Al-Ti中间合金是一种常用的铝合金用晶粒细化剂，其中的Ti元素主要以TiAl3化合物粒子的方式存在，在晶粒细化过程中，Al-Ti中间合金加入到待处理的铝合金熔体中后，TiAl3化合物作为固体粒子被释放到铝熔体中，在凝固时起到铝晶粒形核基底的作用。
[0003]目前市场上常见的Al-Ti中间合金产品所含的TiAl3S子为块状或长条状，由于在Al-Ti中间合金制备过程中TiAl3化合物很容易长大，TiAl 3粒子尺寸一般为数十微米甚至可达数100微米以上。如此之大的TiAl3粒子尺寸会导致能够充当形核基底的粒子数量大大减少，必然会带来晶粒细化效率的大大降低；大尺寸TiAl3粒子易导致钛元素在铝基体中分散不均匀，导致细化后的铝合金晶粒组织不均匀；此外，因TiAl3较脆，细化后合金所残留的大尺寸块状或长条状TiAl3粒子在受力时易断裂破碎，产生的微观裂纹在应力集中作用下会在合金基体内扩展，导致合金力学性能下降。
【发明内容】
[0004]针对以上技术中存在的不足，本发明提供了一种Al-Ta-Zn中间合金，该中间合金中含有尺寸细小，分布均匀的TaAl3 χΖηχ (0<χ<0.2)化合物粒子，将中间合金加入到待细化的铝合金熔体中后，这些粒子起到铝晶粒形核基底的作用，使中间合金产生高效的晶粒细化作用，在一些场合可作为Al-Ti中间合金的替代品。
[0005]本发明还公开了该中间合金的制备方法。
本发明的技术方案如下:
一种Al-Ta-Zn中间合金，其化学成分由以下质量百分含量的组元组成:
Ta 0.6-20%，Zn 0.5-9%,其余为 Al。
[0006]上述中间合金中，Ta元素主要以TaAl3xZnx (0〈χ〈0.2)化合物粒子的方式镶嵌于铝基体中。
[0007]如上所述的Al-Ta-Zn中间合金，所述的TaAl3 χΖηχ化合物粒子为多面体或球状，具有体心四方晶体结构，粒子尺寸在0.1-3微米范围内。
[0008]如以上所述Al-Ta-Zn中间合金的制备方法，包括如下以下步骤:
(1)按所欲做Al-n%Ta-k%Zn(含Ta和Zn质量百分含量分别为n%、k%)中间合金的总质量m克及其成分比例称取原料纯铝、K2TaF7粉末和纯锌，其中纯铝质量为m(1-0.0075n-0.0lk)克，K2TaF7质量为 0.02169mn 克，纯锌质量为 0.0lmk 克;
(2)将纯铝在熔化炉内熔化至680-730°C得到纯铝熔体，然后加入纯锌；
(3)待纯锌完全熔化后，将K2TaF7加入上述铝-锌熔体中进行反应5 -1 5分钟； (4)将上述步骤中反应后的合金熔体上层不同于合金的液体倒出，再将剩余铝合金熔体倒入冷却模具中，冷却后即得Al-Ta-Zn中间合金。
[0009]如上所述的Al-Ta-Zn中间合金制备方法，原料K2TaF7S粉末，粉末颗粒尺寸为0.1-50 微米。
[0010]如上所述的Al-Ta-Zn中间合金制备方法，将K2TaF7分批加入铝-锌熔体中，每批K2 TaF7的质量是招-锌恪体质量的5-10%，每批次加入后反应5-15分钟，然后再加入下一批。
[0011]如上所述的Al-Ta-Zn中间合金制备方法，将K2 TaF7加入铝-锌熔体后，在熔体反应过程中用碳棒进行搅拌，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入含锌的铝液后发生如下化学反应:
3KZ TaF7 + (14-3x)Al + 3xZn = 6KF + 5A1F3+ 3TaAl3 xZnx
其中的KF和AlF3以液体形式漂浮于合金熔体上层，TaAl 3 xZnx固体粒子进入铝熔体中。
[0013]以上制备方法中，由于铝液中含有的锌原子要参与TaAl3 xZnx粒子的形核和长大过程，使粒子形核机率增多而长大速率减缓，从而获得细小的TaAl3 ^!^粒子；此外，通过控制K2 TaF7尺寸、K 2 TaF7分批加入及进行恪体搅拌也能够进一步控制所生成的TaAl 3 xZnx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本中分布均匀。
[0014]本发明提供的Al-Ta-Zn中间合金，TaAl3 xZnJi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可能带来的各种问题。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-Zn中间合金对铝的晶粒细化效率大大高于Al-Ti中间合金(图5和图6结果给出说明)且细化后的晶粒组织均匀。在某些需要Al-Ti中间合金进行晶粒细化的合金(如铝-锌合金)中，可用Al-Ta-Zn作替代，在满足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。对于一些含锌元素的铝合金使用Al-Ta-Zn中间合金进行晶粒细化可避免因加入中间合金带来的锌元素含量波动，保证细化前后的合金化学成分尽可能一致。
【附图说明】
[0015]图1为实施例1所制Al-15Ta-2Zn中间合金的扫描电镜(SEM)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 χΖηχ(0<χ<0.2)，灰色相为铝基体。X射线衍射分析表明TaAl3xZnx(0〈x〈0.2)具有四方晶体结构。
[0016]图2为实施例1所制Al-15Ta_2Zn中间合金的扫描电镜(SEM)高倍组织结构图。图中白色粒子为TaAl3 χΖηχ(0<χ<0.2)，灰色相为铝基体。
[0017]图3为图1和图2中TaAl3xZnx粒子的EDX图谱，表明粒子由Ta、Al、Zn元素组成，大量分析表明其分子式为TaAl3 χΖηχ(0<χ<0.2)。
[0018]图4为未细化工业纯铝(纯度为99.7wt.%)的晶粒组织宏观图。
[0019]图5为添加实施例1所制备Al-15Ta_2Zn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:原子百分数为0.02%。
[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:原子百分数0.02%。
[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中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。其中灰色相为基体铝，浅白色的粒子为TiAl3。
【具体实施方式】
[0023]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。
[0024]实施例1
Al-15Ta-2Zn中间合金，其化学成分由以下质量百分比的组元构成:Ta 15%