气雾化Al-5Ti-1B合金粉的显微组织与晶粒细化能力*

王顺成，宋东福，周 楠，陈 锋，李继林

广东省材料与加工研究所，广东 广州 510650

Al-Ti-B合金是目前铝加工行业最常用的晶粒细化剂，大部分的铝及铝合金在铸造过程中都需要添加Al-Ti-B合金[1]．通过添加Al-Ti-B合金对铝及铝合金铸锭进行晶粒细化，可提高铸锭的组织成分均匀性、塑性加工性能和铝产品的质量．随着我国电子信息、轨道交通、航空航天等领域用高端工业铝材的发展，对Al-Ti-B合金的冶金质量要求越来越高[2]．虽然Al-Ti-B合金的冶金质量在近年来得到了很大的提高，但Al-Ti-B合金仍然存在TiB2粒子偏析团聚、TiAl3相尺寸粗大、晶粒细化能力不稳定等问题，特别是TiB2粒子的偏析团聚，不仅会降低Al-Ti-B合金的晶粒细化能力，还会阻塞铸造流槽上的过滤板或过滤管，导致铝材和箔材表面产生针孔、砂眼、划伤和撕裂等缺陷，无法满足高性能、高精密、高光亮工业铝材的生产需要[3]．

为了提高Al-Ti-B合金的冶金质量，研究人员先后研究了电磁搅拌[4]、超声振动[5]、甩带快冷[6]、热机械处理[7]、稀土元素[8]等方法改善Al-Ti-B合金显微组织与晶粒细化能力，这些方法虽然有助于减弱TiB2粒子的偏析团聚，提高Al-Ti-B合金的晶粒细化能力，但仍然无法完全克服TiB2粒子的偏析团聚问题．气雾化制粉是一种快速凝固工艺，常用于制备金属及其合金粉末[9]．气雾化制粉可以细化显微组织结构，提高元素固溶度和减少成分偏析等[10].但迄今为止，未见有采用气雾化制粉工艺制备Al-Ti-B合金的报道．因此，本研究采用气雾化制粉工艺制备Al-5Ti-1B合金粉，并研究Al-5Ti-1B合金粉的显微组织与晶粒细化能力．

1 实验部分

1.1 Al-5Ti-1B合金粉末制备

实验材料为工业纯铝(质量百分比为99.85%)、K2TiF6和KBF4粉，实验设备为中频感应电炉和气雾化制粉机，采用铝热反应法制备Al-5Ti-1B合金液．首先将K2TiF6和KBF4粉按质量比为2.2∶1的比例混合，在中频感应电炉内加热熔化工业纯铝并过热至850 ℃，然后加入K2TiF6和KBF4的混合粉末并搅拌反应30 min，经精炼、除渣后得到Al-5Ti-1B合金液．将Al-5Ti-1B合金液移至气雾化制粉机内，在氮气压力为3.5 MPa及雾化温度为800 ℃的条件下，将Al-5Ti-1B合金液雾化成粉．经JY-ULTIMA2型等离子体发射光谱仪分析，Al-5Ti-1B合金粉的化学成分列于表1．

表1 Al-5Ti-1B合金粉的组成成分

1.2 晶粒细化

晶粒细化实验对象为工业纯铝，实验设备为7.5 kW石墨坩埚电阻炉．将工业纯铝置于石墨坩埚电阻炉内加热熔化并过热至720 ℃，经精炼和扒渣后，加入质量百分比为0.2%的Al-5Ti-1B合金粉，搅拌均匀并分别保温2，15，30，60和120 min，然后分别取纯铝液浇注到置于耐火砖上外径为75 mm、高为25 mm、壁厚为5 mm的环状钢模内，铸造成直径为65 mm、高为25 mm的纯铝锭试样．

1.3 分析方法

用JEOL8100型扫描电镜，观察Al-5Ti-1B合金粉的形貌．将Al-5Ti-1B合金粉镶嵌制样，试样经磨制和抛光后，用NANO430型高真空场发射扫描电镜进行显微组织观察，对TiAl3相和TiB2粒子进行能谱分析并测量尺寸大小．将细化实验的纯铝锭试样沿高度的中间部位锯开，经车削、磨制、抛光并用混合酸溶液(70 mL HCl+25 mL HNO3+5 mL HF)腐蚀后，观察纯铝锭试样的晶粒组织，采用截线法测量纯铝锭的晶粒平均直径．

2 实验结果与分析

2.1 表面形貌

图1为Al-5Ti-1B合金粉的表面形貌．从图1可看到，大部分Al-5Ti-1B合金粉的形状呈球形，合金粉的粒径小于100 μm，但也有少部分Al-5Ti-1B合金粉的形状呈现椭球形．气雾化制粉过程分为液流的破碎和液滴的冷却凝固两个阶段[11]． Al-5Ti-1B合金液在高速气流的喷射冲击作用下首先破碎成微液滴，微液滴在表面张力作用下会主动发生球化，冷却凝固后得到球形Al-5Ti-1B合金粉．部分微液滴在未完全球化前已凝固或者凝固过程中受到高速气流的喷射冲击作用而发生变形，冷却凝固后则得到椭球形的Al-5Ti-1B合金粉．

图1 Al-5Ti-1B合金粉的表面形貌Fig.1 Surface morphologies of Al-5Ti-1B alloy powder

2.2 显微组织

图2为不同粒径Al-5Ti-1B合金粉的显微组织．从图2可看到，TiB2粒子和TiAl3相均匀分布在粉末内，其中亮白色的颗粒状物为TiB2粒子，TiB2粒子的尺寸小于1 μm，灰色的块状物和条状物为TiAl3相，TiAl3相的尺寸小于3 μm，未见有TiB2粒子的偏析团聚现象和粗大的TiAl3相．气雾化制备Al-5Ti-1B合金粉，在高速气流的喷射冲击作用下Al-5Ti-1B合金液首先被雾化成微液滴，该过程会把合金液中的TiB2粒子和Ti原子分离而进入微液滴内．微液滴在随后的飞行过程中的冷却速度可高达1×103～1×107K/s[12]，且液滴的尺寸越小，冷却速度越快，快速的冷却凝固可抑制微液滴内TiB2粒子发生偏析团聚和TiAl3相长大．由于微液滴的尺寸越小，飞行过程中的冷却凝固速度越快，越有利于抑制微液滴内TiB2粒子偏析团聚和TiAl3相长大，因此，Al-5Ti-1B合金粉的粒径越小，合金粉内的TiB2粒子和TiAl3相分布越均匀，TiAl3相的尺寸也越细小．

2.3 晶粒细化能力

图3为未添加Al-5Ti-1B合金粉和添加0.2%的Al-5Ti-1B合金粉后不同保温时间下纯铝锭的晶粒组织，图4为纯铝锭的晶粒平均直径随保温时间的变化曲线．从图3(a)可看到，未添加Al-5Ti-1B合金粉时，纯铝锭晶粒组织为发达的柱状晶，受钢模激冷作用，距离纯铝锭表层约5 mm宽的区域形成一层细小的柱状晶，纯铝锭中心约10 mm宽的区域为粗大的等轴晶，其余区域均为粗大的柱状晶，晶粒平均直径达到2500 μm(图4)．从图3和图4还可看到：添加0.2%的Al-5Ti-1B合金粉后，纯铝锭的晶粒组织被细化为均匀的等轴晶，晶粒尺寸显著减小；当保温时间为2 min时，纯铝锭被细化为平均直径185 μm的等轴晶；当保温时间延长至120 min时，纯铝锭的晶粒平均直径为238 μm．上述结果表明，Al-5Ti-1B合金粉具有优异的晶粒细化能力和抗细化衰退能力．

图2 不同粒径Al-5Ti-1B合金粉的显微组织(a)，(b) 91 μm粒径；(c)，(d) 27 μm粒径Fig.2 Microstructure of Al-5Ti-1B alloy powder with particle size of 91 μm (a), (b) and 27 μm (c), (d)

图3 未添加和添加0.2%的Al-5Ti-1B合金粉保温不同时间时纯铝锭的晶粒组织(a)未添加；(b)2 min；(c)15 min；(d)30 min；(e)60 min；(f)120 minFig.3 Microstructures of pure aluminum ingot without and with adding 0.2% Al-5Ti-1B alloy powder and holding different time

图4 纯铝锭的晶粒平均直径随保温时间变化的曲线Fig.4 Curve of average grain diameter of pure aluminum ingot with holding time

3 讨 论

采用铝热反应法制备Al-5Ti-1B合金液，K2TiF6和KBF4与铝液的反应过程如下[13]：

3TiAl3+3KAlF4+K3AlF6

(1)

3TiB2+9KAlF4+K3AlF6

(2)

铝热反应得到的Al-5Ti-1B合金液是Ti的过饱和熔体，由于TiAl3相的生长具有择优取向，凝固过程中容易长大成板块状．Al-5Ti-1B合金液中含有大量TiB2粒子，TiB2粒子之间具有较强的亲和性，容易偏聚成团[14]．另外，TiB2粒子的密度较大(4.52 g/cm3)，在铝熔体中会发生自然沉降，而TiB2粒子偏聚成团则会进一步加速TiB2粒子的沉降．

根据双重形核细化机制[15-16]，Al-5Ti-1B合金添加到铝熔体中后，TiB2粒子直接进入铝熔体中，而TiAl3相则会逐渐熔解释放出游离的Ti原子．在铝熔体中，由于Ti原子与TiB2粒子之间存在活性梯度，Ti原子会向TiB2粒子表面富集并在TiB2粒子的(0001)面上偏聚形成TiAl3相，当铝熔体温度冷却到包晶反应温度665 ℃时，TiB2粒子表面的TiAl3相与铝熔体发生包晶反应生成α-Al晶核，α-Al晶核作为铝晶粒的结晶核心从而起到晶粒细化作用．

由于Al-5Ti-1B合金粉中TiB2粒子、TiAl3相分布均匀，TiB2粒子更容易分散进入铝熔体中，参与有效形核的TiB2粒子越多，TiAl3相也越容易熔解释放出游离Ti原子，TiB2粒子分散均匀还可以减缓TiB2粒子在铝熔体中的沉降速度，因此，Al-5Ti-1B合金粉的具有优异的晶粒细化能力和抗细化衰退能力．

4 结 论

(1)气雾化制粉可以抑制TiB2粒子偏析团聚并细化TiAl3相，使TiB2粒子和TiAl3相均匀分布在Al-5Ti-1B合金粉内．Al-5Ti-1B合金粉的粒径越小，TiB2粒子和TiAl3相分布越均匀，TiAl3相尺寸越小．

(2)Al-5Ti-1B合金粉具有优异的晶粒细化能力和抗细化衰退能力．添加0.2%的Al-5Ti-1B合金粉并保温2 min，可使纯铝从粗大的柱状晶细化为平均直径185 μm的等轴晶．保温120 min，纯铝晶粒平均直径仍然保持在238 μm．