AlAl-Ti-B晶粒細化機理.doc

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1、Al/Al-Ti-B晶粒細化機理摘要：Al-Ti-B是很多Al合金運用最廣泛的細化劑。然而，經過60年的深入研究，晶粒細化的確切機制尚不清楚。本工作的目的是使我們進一步了解涉及Al-Ti-B系晶粒細化劑的晶粒細化機制。廣泛的高分辨率電子顯微鏡的調查證實了在(0001)TiB2表面存在富Ti膜，這是最有可能是二維(112)Al3Ti復合。進一步的實驗進行了調查了解TiB2顆粒的效力和二維Al3Ti的穩(wěn)定性。我們的研究結果表明，TiB2顆粒的效力的顯著增加是通過在其表面形成單層二維Al3Ti。二維Al3Ti在集

2、中Al-Ti溶液的液態(tài)Al/TiB2界面形成，盡管溶于稀Al-Ti溶液，但是兩者的形成和二維Al3Ti溶解的相對緩慢。Al-5Ti-1B晶粒細化劑顯著細化晶粒直接歸因于在添加晶粒細化劑之后強化了TiB2顆粒的效力和二維Al3Ti和溶解有足夠的游離Ti實現柱狀晶向等軸晶轉變。關鍵詞：晶粒細化；形核；鋁；TiB2；界面層1前言鋁合金晶粒細化是可取的因為它有利于鑄造工藝，減少鑄造缺陷，因此可以提高鑄件質量[1]。實現晶粒細化鑄態(tài)組織，通過晶粒細化劑的添加化學接種已經成為一種常見的工業(yè)應用[2]。最廣泛使用的鋁合金

3、晶粒細化劑的Al-Ti-B中間合金（所有成分重量%，除非另有規(guī)定），其中包含了在鋁基金屬間化合物Al3Ti和TiB2粒子。Al-Ti-B中間合金含有2.8%的過剩Ti大于TiB2的化學計量比(即2.2:1，%)。Al-Ti-B中間合金對大多數形核過冷度小于1K鋁合金的晶粒細化非常有效[2]。從介紹Al-Ti-B系晶粒細化劑已經超過60年[3]，已作出了巨大的努力去理解晶粒細化的機制，這已成為一些綜述文章的主題（例如，[2,4,5]）。然而，直到現在，涉及Al-Ti-B晶粒細化劑的確切細化機制尚未達成共識[5

4、]。在上世紀50年代，Cibula首先提出硬質合金碳-硼化物粒子理論[3]。這個理論提出了溶液中未溶解的TiB2作為非均勻形核的核心。然而，Mohanty和Gruzleski[6]觀察到硼化物被推到晶界，是在沒有Ti溶質的情況下沒有觀察到晶粒細化。這否定了硬質合金C-B化物粒子理論。同樣，AlB2顆粒（在鋁熔體中比TiB2顆粒熔體不穩(wěn)定）不作為非均勻形核核心[7]。在上世紀50年代早期，Crossley和Mondolfo[8]提出了包晶理論和硬質合金C-B化物粒子理論相似。這個理論推測Al3Ti，不是TiB

5、2，通過包晶反應為α-Al提供形核。有實驗結果支持包晶理論。例如，Marcantonio和Mondolfo[9]，Maxwell和Hellawell[10]表明，和TiB2相比，在Al3Ti的存在下，α-Al成核需要一個較小的過冷度，表明Al3Ti是比TiB2更有效的成核劑。Davies[11]等人觀察到了Al3Ti顆粒的中心并提出Al3Ti可能是形核的核心。然而，在Al-Ti-B中間合金細化鋁合金晶粒過程中，通過中間合金添加到熔體中的自由Ti的含量通常低于0.01%，這比包晶反應所需的Ti水平低得多(0.

6、15%)。因此，Al3Ti不是熱力學穩(wěn)定的亞包晶原因。例如，Johnsson[12]指出溫度保持在775℃，Al溶解可能需要超過1分鐘，但絕對不超過5分鐘。Jones和Pearson[7]認為，所有的鋁溶解在熔融鋁中小于30秒。雖然溶解時間取決于保溫溫度、Al3Ti顆粒的大小，但是得到的共識是，Al3Ti迅速溶解的鋁液相線以上，因此的包晶反應在熱力學上是不可行的。Al3Ti在亞包晶合金在凝固過程中負責細化，其他因素共同作用。Vader[13]等人和Backerud[14]等人在上世紀90年代初提出的包晶殼理

7、論。這一理論認為，Al3Ti是比TiB2更有效的形核劑，并試圖解釋硼化物是如何增強鋁的穩(wěn)定性。這一理論認為，硼化物在鋁周圍形成外殼，并減緩了鋁的溶解。Al最終溶解并剩下液體晶胞大約為包晶成分，包晶反應可以形成鋁。此外，Marcantonio和Mondolfo[15]認為硼添加劑可以合理地改變相位圖，因此即使在較低的濃度下Al3Ti也能穩(wěn)定。然而，一些研究人員（例如，參考文獻。[7、16]）研究了Al-Ti-B相圖富鋁角，表明硼對Al-Ti相圖幾乎沒有影響。因此，成核過程不能純粹基于試圖修改發(fā)生包晶反應條件的

8、理論解釋。TiB2和Al3Ti都已在Al晶粒中察到[6]。普遍認為TiB2和Al3Ti都可以作為鋁的形核核心[17]，盡管Al3Ti比TiB2更有效[3]。眾所周知，摻入少量過量的Ti(小于0.15%)在熔體可以導致晶粒尺寸急劇減少與單獨使用TiB2相比，晶粒細化。隨后，添加TiB2和少量過量Ti的需要導致理論發(fā)展。包晶核理論是由Jones[18]提出來的，他認為Ti原子在熔體的熔體相隔離接口和隨后推動了一個類似