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工业电解低钛铝基合金细化效果、细化原理及其应用研究

刘志勇  
【摘要】: 本文进行了低钛铝基合金的初步工业电解试验和长时间工业电解试验,对比研究了采用电解法和熔配法加钛的细化效果和性能。在分析等轴晶形成和生长的基础上,探讨了电解低钛铝基合金的细化原理。较全面研究了以该铝基合金为母体材料制备系列铝-硅和铝-铜合金的应用效果,并对制备的A356合金的时效工艺等进行了初步研究。 在42KA自焙电解槽上,采用纯铝的电解工艺,首次工业电解生产了系列钛含量的低钛铝基合金。在80KA预焙电解槽上进行了为期半年的钛含量为0.10-0.20%低钛铝基合金的工业试验。工业试验结果表明,以适当的方式向电解槽中添加TiO_2粉,工业电解生产低钛铝基合金是可行的,电解槽工作正常,对电解质温度等电解参数影响很小,可得到与电解纯铝相当的电流效率和铝产能等电解指标。 采用宏观和微观金相全面研究了低钛铝基合金锭及其多次重熔下,合金的宏观晶粒度等级、微观晶粒尺寸及晶粒形状随钛含量的变化规律,对比分析了电解加钛与用中间合金熔配加钛的细化效果。细化效果研究结果表明,电解低钛铝基合金具有良好稳定的细化效果,经多次重熔,仍整体呈现细小均匀的等轴晶。通过电解直接实现铝基合金母体的低成本细化,可获得与熔配加钛相当的细化效果,在晶粒尺寸的均匀性等方面优于熔配加钛。 首次研究了电解低钛铝基合金中等轴晶的形核行为及其生长过程,从等轴晶形成和生长的热流环境出发,探讨了电解加钛的细化原理。通过电解获得了溶质钛均匀的铝熔体。在随后的降温过程中,大量细小的含钛相将从铝熔体中析出并弥散分布。溶质钛元素提供的成分过冷不仅使结晶前沿α-Al相强有力形核相的大量形核结晶成为可能,而且为等轴晶的生长提供了必要的热流环境。溶质钛的偏聚及提供足够的成分过冷与形核相的大量形核相互促进和循环作用,使电解低钛铝基合金整体被细化为均匀细小的等轴晶。形核相的多样化,尤其是高钛含量形核相的存在可能是合金细化效果对熔配次数不敏感性的原因。 较全面研究了该铝基合金为母体材料制备铝-硅系列合金和铝-铜系列合金的应用效果。首次将宏观晶粒度等级用于评价单相和多相结构的宏观细化效果,以微观晶粒尺寸作为评价细化效果的同时,以初生相的形状作为评价细化的主要指标。应用试验结果表明,工业电解生产的低钛铝基合金可取代纯铝作为铝-硅系列和铝-铜系列合金的制备母材,并省略含钛中间合金的制备和添加工序,工艺简单,流程少,可获得良好稳定的细化效果。宏观晶粒度等级和微观晶粒尺寸皆明显下降,有效控制了初生相的等轴化,并 郑州大学博士论文 摘要 在一定程度上有利于合金整体组织的细化和均匀化。 首次引入并计算了合金共晶相的体积百分比及其随溶质含量的变化率。分析并提 出,亚共晶合金的相结构和共晶相的比例将在很大程度上决定了合金的宏观晶粒度等级 及微观晶粒尺寸随溶质硅和铜等含量的增加而增大的变化规律,初生a一Al相及共晶相 的形状和分布将最终决定合金整体结构的细化和均匀化程度。 以电解低钦铝基合金为母材在实验室制备了A356合金,研究了熔配方法、熔配次 数及成分变化对合金机械性能的影响,并对时效工艺进行了初步优化。试验结果表明, 经过三次重新熔配,制备的A356合金的钦和硅含量基本稳定,合金结构以等轴晶为主, 保持了较良好的综合机械性能。通过适当调整合金中的镁和硅等元素含量,合金的综合 性能可进一步提高。以该铝基合金制备的A356合金的延伸率显著提高。经初步优化的 时效工艺160℃xs小时及160℃xs小时处理,钦含量为0.17%和0.07%的A356合 金的综合机械性能提高10%以上。 在工业电解生产线的终端增加合金的熔配工序,以低钦铝基合金熔体直接制备了 A356合金锭,获得了与熔配加钦细化合金相当的机械性能。通过对熔配设备的改进和 工艺的进一步完善,直接工业生产高质量高附加值的A356合金锭是可行的。 在研究和分析的基础上,提出工业电解生产多元铝基合金的新思路。在工业条件下, 实现电解生产含低钦、硼及稀土元素(或银)的多元铝基合金,有望进一步提高和稳定 铝基母体合金的细化效果,同时具备对共晶相的变质等作用。随着电解工艺和热处理工 艺的研究和优化,将进一步提高和稳定该铝基合金的细化效果,并提高制备合金的综合 机械性能。电解铝基合金的广泛应用,将有助于全面提高我国铝工业的整体质量和水平。


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