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燃烧合成Al-Ti-C结构宏观动力学及Al-Ti-C细化效果评价

作　者: 侯运丰
导　师: 夏天东
学　校: 兰州理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 燃烧合成 Al-Ti-C中间合金 结构宏观动力学 晶粒细化剂 性能评价 热力学 燃烧波淬熄法
分类号: TG146.21
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


燃烧合成（SHS、CS）因其合成迅速、工艺简单、节能等优点成为制备化合物及复合材料的新技术。特别是在新一代铝及铝合金晶粒细化剂Al-Ti-C中间合金的制备中显示出独特的优越性,燃烧合成方法较好地解决了产物TiC含量低、细化相Al3Ti、TiC分布不均等问题。虽然燃烧合成法制备Al/TiC复合材料的研究已取得很大进展,但是对燃烧合成Al-Ti-C中间合金晶粒细化剂的反应过程、组织转变规律及结构形成机理研究甚少,燃烧合成法制备的Al-Ti-C中间合金还未曾接受工业化应用评价。本文在国家“863计划”新材料技术领域:新型铝及铝合金晶粒细化合金Al-Ti-C及其线材（2003AA33X050）项目的支持下,进行以下方面研究:本文用热力学理论,计算了Al-Ti-C燃烧合成反应的绝热温度,发现绝热温度与预热温度大致呈线性关系,预热温度提高,反应的绝热温度也相应提高,燃烧合成制备Al-Ti-C中间合金的预热温度应大于633K。采用自蔓延合成、热爆合成及铝液中热爆合成等三种模式制备了Al-Ti-C中间合金,并对其反应过程进行了比较,掌握了制备Al-Ti-C中间合金的不同工艺要求。探讨了工艺参数对自蔓延合成Al-Ti-C中间合金的合成过程、产物相组成及组织形貌的影响,主要包括原料Ti/C比、压坯压力、压坯直径、预热温度、碳粉与Ti粉粒度等。发现自蔓延模式制备的Al-Ti-C中间合金组织形态优于热爆模式。原料Ti/C比是决定产物中TiC、Al3Ti相数量与分布形态的关键,压坯压力、预热温度、碳粉与Ti粉粒度等对燃烧温度和产物组织形貌有显著影响。探讨了铝液中热爆合成Al-Ti-C中间合金的铝液温度、Al含量等工艺参数对反应过程以及对产物相组成及组织形貌的影响,发现随着铝液温度提高、Al含量降低,反应体系燃烧温度升高,中间合金中Al3Ti相数量减少,由细小块状向粗大棒状转变,TiC数量增多,并出现聚集长大现象。在873-1473K范围内对Al-Ti-C体系进行高温X衍射分析,结合反应产物断面形貌SEM观察,研究Al-Ti-C体系组织转变过程,结果表明:试样中Al熔化前未发生Al、Ti间的固—固扩散反应,873K时反应产物中无Al3Ti生成;973K时出现Al3Ti,1173K时TiC形成。利用圆柱体钢模具成功淬熄了自蔓延合成Al-Ti-C中间合金时压坯中的燃烧波,得到了不同反应程度的产物微区形貌;另外,通过1073-1173K铝熔体中热爆合成Al-Ti-C反应压坯的淬熄实验,得到不同反应阶段的淬熄组织。通过对不同淬熄区的产物进行相关的测试分析,认为燃烧合成Al-Ti-C中间合金的反应过程大致分为以下几个阶段:①预热阶段的Al熔化过程;②初始反应阶段的Al-Ti反应并析出Al3Ti过程;③完全反应阶段Al3Ti分解,Ti-C反应过程④燃烧完成阶段的产物冷却结晶过程。提出燃烧合成Al-Ti-C中间合金过程中Al3Ti的形成反应符合反应—溶解—析出机制,即Al熔化后向Ti扩散,发生放热反应3Al（l）+Ti（s）=Al3Ti（s）,最后从饱和Al-Ti熔体中析出Al3Ti:而TiC形成反应存在扩散—析出、溶解—析出两种机制,即①扩散—析出机制:在低温区间,Al3Ti分解形成活性Ti原子,被碳吸附形成TiCx层,然后Ti、C沿相反方向同时向TiCx层中扩散,发生放热反应[Ti]+C（s）=TiC（s）,至TiCx中C浓度达饱和时析出TiC粒子;②溶解—析出机制:在高温区间,达到1613K后Al3Ti熔化形成Al-Ti层,C溶解其中形成Al-Ti-C熔体,发生放热反应[Ti]+C（s）=TiC（s）最终TiC从饱和Al-Ti-C熔体析出长大。通过对自蔓延合成Al-Ti-C中间合金的稀释工艺（压坯压力、铝液温度、保温时间等）研究,获得适合工业化批量生产的稀释工艺参数;基于实验室中对Al-Ti-C合金的制备、组织形态及细化性能评价结果,采用自蔓延合成方法制备20kg新型Al-Ti-C合金铸锭,并挤压加工为中间合金丝。新型Al-Ti-C合金丝由Al-TiC-Al3Ti组成,TiC为球形颗粒,尺寸0.5—1.5μm:Al3Ti为块状,尺寸8—20μm,分散分布。在工业化实际生产条件下评价新型Al-Ti-C合金丝的细化性能。结果表明,采用新型Al-Ti-C中间合金丝细化1235、5052、8011铝合金的效果与与进口Al-Ti-B相当,三种铝合金铸轧卷（锭）晶粒度均达到一级,力学性能优良,分别加工了0.0065mm箔材和0.014mm家用铝箔、0.0111mm啤酒封箔材、管材成品共17吨,全部销于用户,产品质量良好。

全文目录


摘要  8-10
Abstract  10-12
第1章 绪论  12-26
  1.1 铝及铝合金晶粒细化剂与Al-Ti-C中间合金  12-13
  1.2 Al-Ti-C晶粒细化剂制备方法研究现状  13-17
    1.2.1 熔炼法  13-14
    1.2.2 铝热反应法  14-15
    1.2.3 燃烧合成(CS)  15
    1.2.4 放热弥散法(XD)  15-16
    1.2.5 铝熔体中热爆法  16-17
  1.3 燃烧合成技术  17-20
    1.3.1 发展历史  17
    1.3.2 燃烧合成基本原理及特点  17-18
    1.3.3 燃烧模式  18-20
  1.4 结构宏观动力学  20-24
    1.4.1 结构宏观动力学理论基础  20
    1.4.2 结构宏观动力学研究方法  20-23
    1.4.3 结构宏观动力学研究现状  23-24
  1.5 课题的思路及主要研究内容  24-26
第2章 燃烧合成Al-Ti-C中间合金  26-53
  2.1 合成过程、装置及实验方法  26-30
    2.1.1 原料及压坯制备  26
    2.1.2 燃烧合成装置  26-28
    2.1.3 燃烧合成实验方法  28-30
  2.2 自蔓延合成Al-Ti-C中间合金  30-42
    2.2.1 自蔓延合成Al-Ti-C的温度曲线  30
    2.2.2 自蔓延合成产物的成分及相组成  30-32
    2.2.3 反应原料的影响  32-37
    2.2.4 工艺条件的影响  37-42
  2.3 热爆模式合成Al-Ti-C中间合金  42-45
    2.3.1 热爆合成Al-Ti-C的温度曲线  42-43
    2.3.2 热爆合成产物的成分及相组成  43
    2.3.3 反应原料的影响  43-45
  2.4 铝液中热爆合成Al-Ti-C中间合金  45-52
    2.4.1 铝液中热爆合成Al-Ti-C的温度曲线  45
    2.4.2 Al含量对铝熔体中热爆合成Al-Ti-C的影响  45-49
    2.4.3 铝液温度对铝熔体中热爆合成Al-Ti-C的影响  49-52
  2.5 本章小结  52-53
第3章 燃烧合成Al-Ti-C结构宏观动力学  53-83
  3.1 Al-Ti-C体系的热力学分析  53-58
    3.1.1 标准反应热效应和物质相对焓  53-55
    3.1.2 绝热温度  55-58
  3.2 Al-Ti-C体系的DTA分析  58-59
  3.3 Al-Ti-C体系高温X衍射实验  59-64
    3.3.1 高温X衍射反应产物的相组成  59-61
    3.3.2 高温X衍射反应产物的微观形貌  61-64
  3.4 燃烧波淬熄实验  64-70
    3.4.1 淬熄试样各区的相组成  64
    3.4.2 淬熄试样各区的微观组织形貌分析  64-70
  3.5 铝熔体中热爆反应压坯的淬熄实验  70-76
    3.5.1 1073K中铝熔体中热爆淬熄产物  71-72
    3.5.2 1173K中铝熔体中热爆淬熄产物  72-74
    3.5.3 1273K中铝熔体中热爆淬熄产物  74-76
  3.6 燃烧合成Al-Ti-C中间合金动力学分析  76-81
    3.6.1 燃烧合成Al-Ti-C中间合金的过程  76-77
    3.6.2 燃烧合成Al-Ti-C中间合金的反应机制  77-78
    3.6.3 燃烧合成Al-Ti-C中间合金的反应模型  78
    3.6.4 TiC的生成过程分析  78-81
  3.7 小结  81-83
第4章 Al-Ti-C中间合金细化效果的实验室评价  83-100
  4.1 稀释处理  83-86
    4.1.1 压坯压力的影响  84
    4.1.2 铝熔体温度的影响  84-85
    4.1.3 保温时间的影响  85-86
  4.2 0.1kg中间合金铸锭细化性能评定  86-89
  4.3 1kg中间合金铸锭细化性能评定  89-96
  4.4 新型Al-Ti-C中间合金线材挤压加工  96-99
    4.4.1 20kg中间合金铸锭的制备  96
    4.4.2 中间合金线材加工  96-99
  4.5 小结  99-100
第5章 Al-Ti-C中间合金线材的工业化评价  100-109
  5.1 细化1235铝合金  100-105
    5.1.1 铸轧板的细化处理  100-102
    5.1.2 冷轧  102-103
    5.1.3 退火处理  103-104
    5.1.4 箔材轧制工艺  104
    5.1.5 铝箔分切  104-105
    5.1.6 成品退火处理  105
  5.2 细化5052铝合金  105-106
    5.2.1 生产条件及工艺  105-106
    5.2.2 试验结果  106
  5.3 细化1235铝合金  106-108
    5.3.1 铸轧板的细化处理  106-107
    5.3.2 冷轧  107
    5.3.3 退火处理  107-108
    5.3.4 箔材轧制工艺  108
    5.3.5 铝箔分切  108
    5.3.6 成品退火处理  108
  5.4 本章小结  108-109
结论  109-111
参考文献  111-118
致谢  118-119
附录A:攻读学位期间发表的论文  119

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属材料 > 有色金属及其合金 > 轻有色金属及其合金 > 铝
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