Al-Ti-C-Sr中间合金的合成机制及其细化行为研究

【摘要】：由于A356合金具有良好的铸造性能、气密性和耐蚀性,已成为一种在航空航天和汽车工业中广泛应用的铸造铝合金。但未经细化和变质的A356合金,其α-Al晶粒粗大,共晶硅呈粗大针片状,严重降低了合金的力学性能,改变Si相的形态以减小其对基体的有害作用并细化晶粒,能显著提高铝硅合金力学性能。目前,对于提高铝硅合金性能所做的研究主要集中在晶粒细化和变质上。 当前Al-Ti-C和Al-Sr作为晶粒细化剂和共晶硅变质剂得到广泛应用。为充分发挥Al-Ti-C细化剂和Sr变质剂的良好性能,本文利用液固反应法制备一种新型Al-Ti-C-Sr四元中间合金细化剂,将细化和变质合为一体,并将其对A356合金进行细化处理。 本文利用光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及能谱仪(EDS)等分析手段,并通过对A356合金拉伸性能的测试,较系统地研究了自制的Al-5Ti-0.5C-8Sr、Al-5Ti-0.5C及Al-10Sr三类中间合金的组织特征并比较了其细化行为的差异,同时探讨了Al-5Ti-0.5C-8Sr合金的合成机制。从而为进一步开发具有双效细化和变质能力的Al-Ti-C-Sr多元铝硅合金细化剂提供理论参考及实践依据。 研究结果表明,Al-5Ti-0.5C-8Sr合金组织由α-Al基体、不连续的板条状Al_4Sr、团簇状或颗粒状TiC、被包裹状TiAl_3、包裹状及块状Al-Ti-Sr相组成。 Al-5Ti-0.5C-8Sr合金合成机制为:在850℃左右K_2TiF_6与铝在界面处反应生成块状TiAl_3,同时高温下K_2TiF_6释放出活性的Ti原子。在1200℃左右通过反应Ti+C(s)→TiC(s)及TiAl_3+C→TiC+Al形成TiC粒子。在850℃以下通过匀晶反应生成Al_4Sr,在凝固过程中还通过包晶反应L(Al,Sr)+α(TiAl_3)→β(Al-Ti-Sr),生成外层为Al-Ti-Sr相、内层为TiAl_3相的包裹组织。经过620℃、18小时的扩散退火后,包裹组织中内层TiAl_3相基本转化成Al-Ti-Sr相,可见,包裹状Al-Ti-Sr相是通过包晶反应形成的。 在对A356合金进行细化处理时,单独添加0.5%Al-5Ti-0.5C,A356合金的宏观晶粒明显细化,平均晶粒尺寸由未添加时的1720μm减小到530μm左右,同时针片状共晶Si也有所细化,部分转变为短杆状。其T6态A356合金的抗拉强度由未添加时的221.7Mpa增加至231.2MPa,伸长率由9.5%增加至10.4%,分别提高了4.3%和9.5%。单独添加0.4%Al-10Sr,A356合金的晶粒尺寸也有所减小,平均晶粒尺寸为1550μm左右,共晶Si由原来的针片状变成纤维状或颗粒状。其T6态A356合金的抗拉强度为228.7MPa,伸长率为11.1%,分别提高了3.2%和16.8%。 同时加入0.5%Al-5Ti-0.5C和0.4%Al-10Sr,A356合金宏观晶粒细化效果明显,平均晶粒尺寸为230gm左右,共晶Si也变成纤维状或颗粒状。其T6态A356合金的抗拉强度为249.3MPa,伸长率为12.8%,分别提高了12.4%和34.7%,比单独加入0.5%Al-5Ti-0.5C的细化效果和单独加入0.4%Al-10Sr变质效果都更加明显。当添加0.5%Al-5Ti-0.5C-8Sr后,A356合金平均晶粒尺寸细化至220gm左右,共晶Si也都变成细小的纤维状或颗粒状。其T6态A356合金的抗拉强度为251.7MPa,伸长率为12.5%,分别提高了13.5%和31.5%,与同时加入相同量的Al-5Ti-0.5C和Al-10Sr的细化变质效果相当。 未经细化变质处理的A356合金T6态断裂方式为准解理断裂;添加0.5%Al-5Ti-0.5C或0.4%Al-10Sr的A356合金T6态断裂方式都为准解理与韧性断裂的混合断裂;添加0.5%Al-5Ti-0.5C-8Sr与同时添加0.5%Al-5Ti-0.5C、0.4%Al-10Sr的A356合金T6态断裂方式都为韧性断裂。