一种改善铝钛硼细化剂组织性能的方法与流程

本发明涉及一种改善铝钛硼细化剂组织性能的方法，具体属于合金细化剂技术领域。

背景技术：

铝及其合金作为现代工业中一种重要的原材料，具有密度小、比强度高、较好的导电及导热性、较强的耐腐蚀性等一系列优点，所以被大量的运用到航空航天、汽车制造、家电用品、机械建筑等一系列热门行业。人们越来越多的把铝及其合金作为重要的工业原料来使用。随着铝合金使用的越来越广泛，各行各业自然而然的对铝合金材料的使用性能提出了更加苛刻的要求，如何利用好相应的强化理论，使铝合金的使用性能得到进一步提升，以满足各个领域的新要求，一直都是是材料科学领域的重要研究课题。

在各种各样的强化方法中一直都存在一个问题，那就是往往材料的强度和塑性不能够同时得到提高。它们二者有其中一方变强，另一方往往会变弱。所以说有很多提高金属强度的方法，会使塑性和韧性降低到一个对工业发展有明显阻碍的程度上。目前来说只有细化晶粒的方法能够同时提高材料的强度和韧性。使用细化剂来细化铝晶粒的方法被广泛认为是最行之有效的方法。而铝钛硼细化剂作为一种常用的细化剂还存在不足，比如铝钛硼细化剂本身的冶金质量并不好，一些无用的夹杂物含量高，易污染铝及铝合金；铝钛硼细化剂中tib2粒子尺寸较大且易聚集成团，由此带来许多质量问题；细化剂的组织结构对工艺因素的敏感度极高，即使在相同的化学成分条件下其组织形态和细化效果也可能会有所不同，细化效果不稳定等。因此研究一种改善铝钛硼细化剂组织性能的方法，提高铝钛硼细化剂的细化效果，显得尤为必要。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种改善铝钛硼细化剂组织性能的方法，能够有效改善铝钛硼细化剂的细化性能。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种改善铝钛硼细化剂组织性能的方法，包括以下步骤：取al-5ti-1b中间合金，放入石墨坩埚并置于井式炉中，设置升温速率和设定温度后升温，达到设定温度后保温一定时间，随后将石墨坩埚取出，放入低频磁场线圈中，在保温条件下进行电磁、机械耦合搅拌，搅拌结束后通过水冷铜模冷却即得。搅拌过程中可以对石墨坩埚施加保温措施便于延长保温时间。

前述改善铝钛硼细化剂组织性能的方法中，升温速率为10℃/min～15℃/min。

前述改善铝钛硼细化剂组织性能的方法中，设定温度为720℃～820℃。

前述改善铝钛硼细化剂组织性能的方法中，达到设定温度保温为在设定温度下保温10min～20min。

前述改善铝钛硼细化剂组织性能的方法中，低频磁场线圈的磁场强度为12000～15000at；电磁、机械耦合搅拌中机械搅拌频率为2～3hz。

前述改善铝钛硼细化剂组织性能的方法中，电磁、机械耦合搅拌中机械搅拌是指用预热后的陶瓷搅拌棒进行搅拌。

进一步地，前述改善铝钛硼细化剂组织性能的方法中，陶瓷搅拌棒在600～700℃下预热15～20min。

前述改善铝钛硼细化剂组织性能的方法中，搅拌时间为5～15min。

为了确保本发明技术方案科学、合理、有效，发明人进行了一系列实验验证。

研究表明，al-5ti-1b细化剂的细化效果主要取决于其组织中tial3与tib2两种活性质点的形状、大小、数量和分布。其中tial3相主要有有三种形貌，分别是块状、杆状和花瓣状，而这三种相貌对于细化效果的影响也各不相同，这其中块状的tial3相细化效果最好，因为它有三个晶面是面向熔体，所以相对与其他的形貌他的成核机会大大增加，因而他的细化效果是最好的。而杆状的细化效果是最差的，它的长大的方式是二维支晶，孕育期长，溶解速度也很慢。花瓣状的细化效果要大于杆状而小于块状。同时tial3质点的数量越多越好，分布也是越均匀越好，尺寸越小越好。tib2一般呈细小的颗粒状，粒子的尺寸越细小分布越均匀自然细化效果也就越好。所以判断细化剂细化效果的主要检测手段就是在显微镜下其组织中两种活性质点tial3与tib2的形状、大小、数量和分布。

1、样品的准备

1.1、材料与设备

本发明中选用国产al-5ti-1b中间合金作为研究对象，其成分如表1所示。

表1

1.2、样品的准备

取al-5ti-1b中间合金，放入石墨坩埚并置于井式炉中，设置升温速率(10～15℃/min)和设定温度(720℃、740℃、760℃、780℃、800℃、820℃)后升温，达到设定温度后保温(10～20min)，随后将石墨坩埚取出，放入低频磁场线圈中，陶瓷搅拌棒在600～700℃下预热15～20min后，在保温条件下进行电磁、机械耦合搅拌(5min、10min、15min)，搅拌结束后通过水冷铜模冷却即得。

2、测试方法

2.1、光学显微分析：用徕卡光学显微镜dm-2500m观察样品的组织形貌并进行分析。

2.2、扫描电镜和能谱分析：通过扫描电镜观察样品形貌，利用电子探针能谱仪进行点扫和面扫描，完成eds测试。

3、结果分析

3.1、光学显微分析

低倍光学显微镜大致观察了未经高温耦合搅拌处理的al-5ti-1b中间合金原样的组织，如图1所示在铝基体中分布着大量粒子，其中有较大的杆状和块状粒子a不均匀分布于铝基体中，另外有小颗粒状聚集分布的粒子b。

通过对不同高温耦合搅拌处理的细化剂进行扫描电镜测试分析发现，不同处理条件下细化剂组织中的第二相质点的种类并没有发生什么变化，主要都是tial3与tib2两种相，但是不同的处理条件下这两种相的形貌、大小、数量和分布已经有所不同。

3.1.1搅拌温度对组织的影响

如图2所示，未经处理的铝钛硼细化剂的组织中tial3尺寸非常大，最大尺寸甚至达到了200μm以上，大部分尺寸都在100μm左右，而且数量很少，分布极不均匀，呈团块状聚集的趋势，形貌主要为长杆状和团块状交替存在，细小的tib2也有聚集情况，以上几种特点都证明该细化剂的细化效果很不理想。

如图3所示为相同耦合搅拌时间(5min)不同加热温度处理后样品的金相组织的观察与对比，可以很明显的发现经过高温耦合搅拌处理的后的细化剂的第二相的组织形貌要优于未处理的细化剂的组织形貌，主要体现在第二相质点tial3的尺寸有很大程度的减少，最大尺寸也只有100μm左右，相比于原来的200μm缩小了50％。进一步分析可以发现在760℃和780℃处理下的铝钛硼细化剂的组织形貌是最好的，因为其第二相质点tial3的尺寸形貌有了非常明显的变化。在(a)(b)(e)(f)四图中铝钛硼细化剂组织中的tial3的尺寸大都为100μm，尺寸比较大，而且分布均匀性相对较差，有呈团块状聚集的情况发生，形貌也主要为长杆状和团块状交替存在，还有少量的花瓣状。而(c)(d)两图中tial3的尺寸平均只有50μm，相比与(a)(b)(e)(f)四图中的100μm缩短了50％，进一步提高了其细化性能。而且形貌也都为细化效果比较好的团块状，数量也比较多，分布也更加均匀，没有了聚集成团的现象发生。这些特点都表明其拥有更加优异的细化性能，所以在耦合搅拌5min的情况下最合适的加热温度区间为760℃～780℃。

如图4所示相同耦合搅拌时间(10min)不同加热温度处理后样品的金相组织的观察与对比，可以很明显的发现经过高温耦合搅拌处理的后的细化剂的第二相的组织形貌要优于未处理的细化剂的组织形貌，主要体现在第二相质点tial3的尺寸有很大程度的减少，最大尺寸也只有100μm左右，相比于原来的200μm缩小了50％。进一步分析可以发现在760℃和780℃处理下的铝钛硼细化剂的组织形貌是最好的，因为其第二相质点tial3的尺寸形貌有了非常明显的变化。在(a)(b)(e)(f)四图中铝钛硼细化剂组织中的tial3的尺寸大都为100μm，尺寸比较大，而且分布很不均匀，有呈团块状聚集的情况发生，形貌也主要为长杆状和团块状交替存在，还有少量的花瓣状。而(c)(d)两图中tial3的尺寸平均只有50μm，相比与(a)(b)(e)(f)四图中的100μm缩短了50％，进一步提高了其细化性能。而且形貌也都为细化效果比较好的团块状，数量也比较多，分布也更加均匀，没有了聚集成团的现象发生。这些特点都表明其拥有更加优异的细化性能，所以在耦合搅拌10min的情况下最合适的加热温度区间也为760℃～780℃。

如图5所示为相同耦合搅拌时间(15min)不同加热温度处理后样品的金相组织的观察与对比，可以很明显的发现经过高温耦合搅拌处理的后的细化剂的第二相的组织形貌要优于未处理的细化剂的组织形貌，主要体现在第二相质点tial3的尺寸有很大程度的减少，最大尺寸也只有100μm左右，相比于原来的200μm缩小了50％，效果还是很明显的。进一步分析可以发现在760℃和780℃处理下的铝钛硼细化剂的组织形貌是最好的，因为其第二相质点tial3的尺寸形貌有了非常明显的变化。在(a)(b)(e)(f)四图中铝钛硼细化剂组织中的tial3的尺寸大都为100μm，尺寸比较大，而且分布很不均匀，有呈团块状聚集的情况发生，形貌也主要为长杆状和团块状交替存在，还有少量的花瓣状。而(c)(d)两图中tial3的尺寸平均不到50μm，相比与(a)(b)(e)(f)四图中的100μm缩短了50％，进一步提高了其细化性能。而且形貌也都为细化效果比较好的团块状，数量也比较多，分布也更加均匀，没有了聚集成团的现象发生。这些特点都表明其拥有更加优异的细化性能，所以在耦合搅拌15min的情况下最合适的加热温度区间也为760℃～780℃。

3.1.2搅拌时间对组织的影响

由图6可以看出当搅拌温度为760℃时，随着搅拌时间的延长细化剂的组织形貌是越来越好的，从a图可以看出其第二相组织中tial3的形貌基本都是细化效果比较好的团块状或者说是马铃薯状，而且数量比较多，分布也比较均匀，但是还是有小部分tial3的尺寸比较大，说明搅拌还是不够充分，b图中也是有部分tial3的尺寸比较大，而且分布不是特别均匀，明显能看到一块区域的tial3很少，说明搅拌不是特别充分。c图中第二相组织中tial3的形貌是非常好的，都是细化效果比较好的块状或者说是马铃薯状，尺寸都比较小，数量非常的多分布也非常均匀，弥散。所以说随着搅拌时间的延长细化剂的组织形貌是越来越好的。

由图7可以看出当搅拌温度为780℃时，随着搅拌时间的延长细化剂的组织形貌是越来越好的，从a图可以看出其第二相组织中tial3的形貌基本都是细化效果比较好的团块状或者说是马铃薯状，而且数量比较多，分布也比较均匀，但是还是有小部分tial3的尺寸比较大且聚在一起，说明搅拌还是不够充分，b图中也是有部分tial3的尺寸比较大，而且分布不是特别均匀，说明搅拌不是特别充分。c图中第二相组织中tial3的形貌是非常好的，都是细化效果比较好的块状或者说是马铃薯状，尺寸都比较小，数量非常的多分布也非常均匀，弥散。所以说随着搅拌时间的延长细化剂的组织形貌是越来越好的。

3.2sem分析

铝钛硼细化剂中主要有α-al，tial3、tib2这三种不同的相。分别选取原样、720℃、780℃以及820℃的样品(原样不搅拌，其余搅拌时间均为15min)来进行分析。

对未经高温耦合搅拌处理的al-5ti-1b中间合金进行扫描电镜和能谱分析结果如图8所示。铝基体中分布着的较大的杆状和块状粒子a的al原子与ti原子的百分比接近于3比1，因此得知其是tial3相，如图8中(a)所示。进一步放大其组织，结合eds点扫描可以发现，如图8中(d)和(e)所示，其中颗粒状聚集分布粒子的b原子与ti原子的百分比接近2比1，所以得知其是tib2相，其余部分为铝基体。

对加热到720℃搅拌15min高温耦合搅拌处理的al-5ti-1b中间合金进行扫描电镜和能谱分析结果如图9；发现铝基体中分布着的较大的块状粒子的al原子与ti原子的百分比接近于3比1，所以是tial3相，如图9中(a)所示。进一步放大其组织，结合eds点扫描可以发现，如图9中(d)和(e)所示，其中颗粒状聚集分布粒子的b原子与ti原子的百分比接近2比1，所以是tib2相，其余部分同样为铝基体。

对加热到780℃搅拌15min高温耦合搅拌处理的al-5ti-1b中间合金进行扫描电镜和能谱分析结果如图10；发现铝基体中分布着的较大的团块状粒子的al原子与ti原子的百分比接近于3比1，于是得知其tial3相，如图10中(a)所示。进一步放大其组织，结合eds点扫描可以发现，如图10中(d)和(e)所示，其中颗粒状聚集分布粒子的b原子与ti原子的百分比接近2比1，于是得知是tib2相，其余部分同样为铝基体。

对加热到820℃搅拌15min高温耦合搅拌处理的al-5ti-1b中间合金进行扫描电镜和能谱分析。如图11所示，铝基体中分布着的较大的杆状和花瓣状粒子的al原子与ti原子的百分比接近于3比1，得知是tial3相，其中颗粒状聚集分布粒子的b原子与ti原子的百分比接近2比1，得知是tib2相，如图11中(a)所示。其余部分同样为铝基体。

通过对以上几种合金的点扫描和能谱分析，可知该铝钛硼细化剂中主要有两种第二相质点，一种是tial3相，尺寸比较大，50～150μm不等，主要为团块状，杆状与花瓣状三种形貌，另一种是tib2相，尺寸较小，约为5μm左右，呈颗粒状聚集分布。对样品进行面扫描分析，结果如图12所示。综合图8～12可知，al-5ti-1b细化剂中，ti元素主要是以tial3相以团块状、长杆状以及花瓣状散乱分布于基体中，而b元素则弥散分布于基体中。

4、结论

(1)通过对不同搅拌时间(5min、10min和15min)对al-5ti-1b细化剂的组织的研究，发现随着时间的延长，al-5ti-1b第二相粒子tial3与tib2的形貌、大小、数量和分布都有了比较明显的变化。随着时间的延长，al-5ti-1b细化剂的细化效果是越来越好的，通过徕卡金相显微镜分析和扫描电镜分析其组织情况发现，其第二相粒子tial3与tib2的形貌、大小、数量和分布都有了比较明显的变化，其中15min处理条件下的效果是最好的，因为可以明显的观察到其第二相粒子tial3的形貌逐渐由细化效果比较差的花瓣状和杆状变为团块状，而且其第二相粒子tial3的尺寸也越来越小，由200μm左右变为50μm左右，变化非常明显，而且数量也明显变多，分布也更加均匀，不再聚集成团了。而第二相粒子tib2的分布也更加均匀了，没有了聚集成团的现象发生，而且尺寸也减小了，因此，随着搅拌时间的延长，细化剂的细化效果会变好。

(2)通过对不同搅拌温度对al-5ti-1b细化剂的组织性能的研究，结果显示随着温度的升高al-5ti-1b细化剂的细化效果是先上升再下降，在760℃～780℃达到效果最佳。通过徕卡金相显微镜分析和扫描电镜分析其组织情况发现，其第二相粒子tial3与tib2的形貌、大小、数量和分布都有了比较明显的变化，其中760℃～780℃处理条件下的效果是最好的，因为可以明显的观察到其第二相粒子tial3的形貌逐渐由细化效果比较差的花瓣状和杆状变为团块状，而且其第二相粒子tial3的尺寸也越来越小，由200μm左右变为50μm左右，变化非常明显，而且数量也明显变多，分布也更加均匀，不再聚集成团了。而第二相粒子tib2的分布也更加均匀了，没有了聚集成团的现象发生，而且尺寸也减小了，所以可以就此推测，其第二相粒子tial3形成时间应该是在760℃～780℃左右，在那个时间进行搅拌刚好可以打断其第二相粒tial3，使其粒子的尺寸变小，分布也更加均匀，形貌更加出众，自然数量也就更多。

本发明的有益之处在于：本发明提供了一种改善铝钛硼细化剂组织性能的方法，能够有效改善铝钛硼细化剂的原始组织。本发明中通过对铝钛硼细化剂在特定升温速率和特定温度下，进行重新熔融得到合金液体，对合金液体实施高温剪切操作，从而改善铝钛硼细化剂组织性能，提升铝钛硼细化剂的细化效果。随着搅拌时间的延长以及温度的升高，第二相粒子tial3的尺寸也越来越小，由200μm左右变为50μm左右，变化非常明显，而且数量也明显变多，分布也更加均匀，不再聚集成团。而第二相粒子tib2的分布也更加均匀，没有了聚集成团的现象发生，而且尺寸也在减小。显示出良好的细化效果。

附图说明

图1是al-5ti-1b的金相显微组织图；

图2是未经高温耦合搅拌处理的样品的金相图像图；

图3是不同温度下耦合搅拌5分钟的样品金相分析图；

图4是不同温度耦合搅拌10分钟的样品金相分析图；

图5是不同温度耦合搅拌15分钟的样品金相分析图；

图6是760℃温度耦合搅拌不同时间的样品金相分析图；

图7是780℃耦合搅拌不同时间的样品金相分析图；

图8是al-5ti-1b的扫描电镜组织与能谱分析图；

图9是720℃搅拌、15min条件下al-5ti-1b的微观组织及eds能谱分析图；

图10是780℃搅拌、15min条件下al-5ti-1b的微观组织及eds能谱分析图；

图11是820℃搅拌、15min条件下al-5ti-1b的微观组织及eds能谱分析图；

图12是al-5ti-1b面扫描分析图；

图中附图标记的含义：图2：a～d:未经高温耦合搅拌处理的样品；图3：(a)720℃处理，(b)740℃处理，(c)760℃处理，(d)780℃处理，(e)800℃处理，(f)820℃处理；图4：(a)720℃处理，(b)740℃处理，(c)760℃处理，(d)780℃处理，(e)800℃处理，(f)820℃处理；图5：(a)720℃处理，(b)740℃处理，(c)760℃处理，(d)780℃处理，(e)800℃处理，(f)820℃处理；图6：(a)5min处理，(b)10min处理，(c)15min处理；图7：(a)5min处理，(b)10min处理，(c)15min处理。图8：(a)tial3扫描电镜，(b)tial3能谱分析，(c)α-al能谱分析，(d)tib2扫描电镜，(e)tib2能谱分析；图9：(a)tial3扫描电镜，(b)tial3能谱分析，(c)α-al能谱分析，(d)tib2扫描电镜，(e)tib2能谱分析；图10：(a)tial3扫描电镜，(b)tial3能谱分析，(c)α-al能谱分析，(d)tib2扫描电镜，(e)tib2能谱分析；图11：(a)tial3与tib2扫描电镜，(b)tial3能谱分析，(c)α-al能谱分析，(d)tib2能谱分析；图12：(a)面扫描区域，(b)al扫描分布，(c)ti扫描分布，(d)b扫描分布。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步的介绍。

实施例1

一种改善铝钛硼细化剂组织性能的方法，包括以下步骤：取al-5ti-1b中间合金，放入石墨坩埚并置于井式炉中，设置升温速率10℃/min和设定温度720℃后升温，达到设定温度后保温10min，随后将石墨坩埚取出，放入低频磁场线圈中，在保温条件下进行电磁、机械耦合搅拌5min，其中，电磁、机械耦合搅拌中机械搅拌是陶瓷搅拌棒在600℃下预热15min后进行搅拌，搅拌结束后通过水冷铜模冷却即得。其中，低频磁场线圈的磁场强度为12000at；电磁、机械耦合搅拌中机械搅拌频率为2hz。

实施例2

一种改善铝钛硼细化剂组织性能的方法，包括以下步骤：取al-5ti-1b中间合金，放入石墨坩埚并置于井式炉中，设置升温速率15℃/min和设定温度820℃后升温，达到设定温度后保温20min，随后将石墨坩埚取出，放入低频磁场线圈中，在保温条件下进行电磁、机械耦合搅拌15min，其中，电磁、机械耦合搅拌中机械搅拌是陶瓷搅拌棒在700℃下预热20min后进行搅拌，搅拌结束后通过水冷铜模冷却即得。其中，低频磁场线圈的磁场强度为15000at；电磁、机械耦合搅拌中机械搅拌频率为3hz。

实施例3

一种改善铝钛硼细化剂组织性能的方法，包括以下步骤：取al-5ti-1b中间合金，放入石墨坩埚并置于井式炉中，设置升温速率12℃/min和设定温度760℃后升温，达到设定温度后保温15min，随后将石墨坩埚取出，放入低频磁场线圈中，在保温条件下进行电磁、机械耦合搅拌10min，其中，电磁、机械耦合搅拌中机械搅拌是陶瓷搅拌棒在650℃下预热18min后进行搅拌，搅拌结束后通过水冷铜模冷却即得。其中，低频磁场线圈的磁场强度为14000at；电磁、机械耦合搅拌中机械搅拌频率为2.5hz。

实施例4

一种改善铝钛硼细化剂组织性能的方法，包括以下步骤：取al-5ti-1b中间合金，放入石墨坩埚并置于井式炉中，设置升温速率13℃/min和设定温度780℃后升温，达到设定温度后保温17min，随后将石墨坩埚取出，放入低频磁场线圈中，在保温条件下进行电磁、机械耦合搅拌8min，其中，电磁、机械耦合搅拌中机械搅拌是陶瓷搅拌棒在620℃下预热19min后进行搅拌，搅拌结束后通过水冷铜模冷却即得。其中，低频磁场线圈的磁场强度为13000at；电磁、机械耦合搅拌中机械搅拌频率为2hz。

实施例5

一种改善铝钛硼细化剂组织性能的方法，包括以下步骤：取al-5ti-1b中间合金，放入石墨坩埚并置于井式炉中，设置升温速率11℃/min和设定温度770℃后升温，达到设定温度后保温13min，随后将石墨坩埚取出，放入低频磁场线圈中，在保温条件下进行电磁、机械耦合搅拌14min，其中，电磁、机械耦合搅拌中机械搅拌是陶瓷搅拌棒在680℃下预热16min后进行搅拌，搅拌结束后通过水冷铜模冷却即得。其中，低频磁场线圈的磁场强度为15000at；电磁、机械耦合搅拌中机械搅拌频率为3hz。

实施例6

一种改善铝钛硼细化剂组织性能的方法，包括以下步骤：取al-5ti-1b中间合金，放入石墨坩埚并置于井式炉中，设置升温速率14℃/min和设定温度765℃后升温，达到设定温度后保温16min，随后将石墨坩埚取出，放入低频磁场线圈中，在保温条件下进行电磁、机械耦合搅拌9min，其中，电磁、机械耦合搅拌中机械搅拌是陶瓷搅拌棒在660℃下预热17min后进行搅拌，搅拌结束后通过水冷铜模冷却即得。其中，低频磁场线圈的磁场强度为12000at；电磁、机械耦合搅拌中机械搅拌频率为2hz。

实施例7

一种改善铝钛硼细化剂组织性能的方法，包括以下步骤：取al-5ti-1b中间合金，放入石墨坩埚并置于井式炉中，设置升温速率11℃/min和设定温度740℃后升温，达到设定温度后保温15min，随后将石墨坩埚取出，放入低频磁场线圈中，在保温条件下进行电磁、机械耦合搅拌13min，其中，电磁、机械耦合搅拌中机械搅拌是陶瓷搅拌棒在600℃下预热19min后进行搅拌，搅拌结束后通过水冷铜模冷却即得。其中，低频磁场线圈的磁场强度为13500at；电磁、机械耦合搅拌中机械搅拌频率为2.5hz。

实施例8

一种改善铝钛硼细化剂组织性能的方法，包括以下步骤：取al-5ti-1b中间合金，放入石墨坩埚并置于井式炉中，设置升温速率15℃/min和设定温度800℃后升温，达到设定温度后保温12min，随后将石墨坩埚取出，放入低频磁场线圈中，在保温条件下进行电磁、机械耦合搅拌14min，其中，电磁、机械耦合搅拌中机械搅拌是陶瓷搅拌棒在700℃下预热18min后进行搅拌，搅拌结束后通过水冷铜模冷却即得。其中，低频磁场线圈的磁场强度为14000at；电磁、机械耦合搅拌中机械搅拌频率为3hz。