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Al-Ti-B-C中间合金制备与细化性能研究

作　者: 张森
导　师: 王俊
学　校: 上海交通大学
专　业: 材料学
关键词: Al-Ti-B-C中间合金 TiB2 TiC 晶粒细化细化机制
分类号: TG146.21
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

本文以高纯铝、海绵Ti和B4C为反应原料,按照Al-5Ti-1B4C的成分配比,分别采用低温高能超声处理工艺和高温感应熔炼工艺,研究了新型Al-Ti-B-C四元中间合金的制备工艺。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和能谱仪等材料分析测试设备,对中间合金的物相和组织形貌进行了分析。研究了不同工艺参数对中间合金中TiAl3、TiB₂和TiC相尺寸形貌的影响;计算并分析了Al-5Ti-1B4C体系的反应热力学与动力学机制;同时研究了不同工艺下制备的中间合金对工业纯铝的细化行为,并就Al-Ti-B-C四元中间合金的细化机制进行了探讨。主要取得了以下研究结果:⑴热力学计算结果表明,Al-5Ti-1B4C反应体系中3Ti + B4C = 2TiB₂ + TiC的反应焓变ΔrH0和吉布斯自由能变化ΔrG0最低,反应自发进行的倾向最大。⑵本文实验参数下的高能超声处理工艺无法在850℃促进Ti与B4C的反应,在该温度下制备的中间合金中仅含有Al和TiAl3相。显微组织研究发现,该类中间合金中的TiAl3相为团块状,尺寸一般在20μm以下;随着超声处理次数和时间的增加,块状的TiAl3相趋于均匀分散,同时有向球状转化的趋势。⑶通过提高反应温度,可以显著改善Al/B4C界面润湿性。利用感应熔炼法在1400℃和1600℃下制备的Al-Ti-B-C中间合金中含有Al、TiAl3、TiB₂和TiC相。其中,TiB₂为20μm左右的短片状,而颗粒状TiC则为团聚分布且尺寸跨度较大,从2μm到亚微米不等;片状TiAl3的长度则随反应温度的升高而增加。Al/B4C界面处的反应3[Ti]+B4C=TiB₂+TiC是生成TiB₂和TiC异质形核质点的控制环节。⑷仅含有TiAl3相的中间合金对工业纯铝的细化效果一般;而同时含有TiAl3、TiB₂和TiC相的Al-Ti-B-C四元中间合金则具有优良的细化性能。在0.2wt%的添加量下,由感应熔炼法在1400℃和1600℃下制备的Al-Ti-B-C中间合金可以分别将工业纯铝晶粒细化至189μm和192μm;保温静置60min后,仍可以将工业纯铝细化至220μm左右。⑸TiB₂、TiC相的非均匀形核和溶质Ti抑制Al晶粒生长的共同作用是Al-Ti-B-C四元中间合金细化铝及铝合金的主要机制。在形核过程中,中间合金中的TiB₂和TiC相与Al的润湿性好,晶格匹配度高,能够形成良好的非均匀形核界面,α-Al从而在这些质点上形核;而进入晶粒长大阶段后,溶质Ti对α-Al晶粒生长的抑制作用成为主导。因此,可以认为Al-Ti-B-C四元中间合金的细化机制为碳硼化物理论和溶质理论的一种耦合效应。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-31
  1.1 晶粒细化方法  11-12
    1.1.1 内生形核质点法  11-12
    1.1.2 外来形核质点法  12
  1.2 晶粒细化剂发展历史  12-14
  1.3 中间合金的制备方法  14-19
    1.3.1 氟盐反应法  14-16
    1.3.2 自蔓延高温合成法  16-17
    1.3.3 热爆合成法  17-18
    1.3.4 混合元素反应法  18
    1.3.5 氧化物反应法  18-19
    1.3.6 电解法  19
  1.4 中间合金的细化机制  19-27
    1.4.1 碳-硼化物理论  21-22
    1.4.2 相图理论  22-23
    1.4.3 包晶壳理论  23-24
    1.4.4 超形核理论  24-25
    1.4.5 双重形核理论  25-26
    1.4.6 溶质理论  26-27
  1.5 新型四元中间合金的研究  27
  1.6 高能超声处理对金属凝固和熔体反应过程的作用  27-29
  1.7 本课题的研究意义与内容  29-31
    1.7.1 研究意义  29-30
    1.7.2 研究内容  30-31
第二章 Al-Ti-B_4C 体系反应热力学计算与分析  31-39
  2.1 Al-Ti-B 和Al-Ti-C 三元相图研究  31-33
    2.1.1 Al-Ti-B 三元相图研究  31-32
    2.1.2 Al-Ti-C 三元相图研究  32-33
  2.2 Al-Ti-B_4C 体系热力学计算  33-38
    2.2.1 热力学计算原理  33-34
    2.2.2 体系反应标准吉布斯自由能变化及焓变计算  34-37
    2.2.3 计算结果分析  37-38
  2.3 本章小结  38-39
第三章实验设计与分析方法  39-45
  3.1 实验原料与中间合金成分选择  39
  3.2 中间合金的制备系统  39-41
  3.3 中间合金制备工艺  41-42
    3.3.1 超声作用下的中间合金制备工艺  41-42
    3.3.2 感应熔炼法制备中间合金工艺  42
  3.4 中间合金组织和细化性能分析方法  42-44
    3.4.1 物相分析  42-43
    3.4.2 微观组织观察  43
    3.4.3 晶粒细化性能测试方法  43-44
  3.5 本章小结  44-45
第四章制备工艺对Al-Ti-B-C 中间合金的微观组织影响  45-58
  4.1 高能超声处理制备工艺对Al-Ti-B-C 中间合金的组织影响  45-49
    4.1.1 中间合金物相分析  46-47
    4.1.2 超声施加方式对TiA1_3 相的影响  47-49
    4.1.3 超声处理工艺中B_4C 颗粒的润湿性问题  49
  4.2 感应熔炼制备工艺对Al-Ti-B-C 中间合金的组织影响  49-54
    4.2.1 中间合金的物相构成  50
    4.2.2 熔炼温度对TiA1_3 相的影响  50-53
    4.2.3 熔炼温度对TiB_2、TiC 相的影响  53-54
  4.3 Al-5Ti-1B_4C 体系的反应动力学机制  54-57
  4.4 本章小结  57-58
第五章 Al-Ti-B-C 中间合金的细化性能研究  58-68
  5.1 高能超声处理制备的中间合金细化性能研究  58-62
    5.1.1 中间合金添加量对细化性能的影响  58-61
    5.1.2 保温时间对细化性能的影响  61-62
  5.2 感应熔炼法制备的中间合金细化性能研究  62-66
    5.2.1 中间合金添加量对细化性能的影响  62-65
    5.2.2 保温时间对细化性能的影响  65-66
  5.3 Al-Ti-B-C 四元中间合金的细化机制初探  66-67
  5.4 本章小结  67-68
第六章结论与展望  68-70
  6.1 主要结论  68-69
  6.2 研究展望  69-70
参考文献  70-77
致谢  77-78
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  78-81
附件  81

Al-Ti-B-C中间合金制备与细化性能研究

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