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自蔓延高温合成Al-Ti-C中间合金结构与性能的研究

王洪涛  
【摘要】:本文采用自蔓延高温合成法(SHS)法以Al、Ti和石墨为原料合成了一种用于铝及铝合金晶粒细化的Al-Ti-C中间合金。研究了压坯压力、压坯直径、预热温度、点火电流强度、原料中Ti粉和石墨颗粒尺寸、引燃模式等工艺参数对自蔓延高温合成过程及产物微观结构的影响。通过淬熄Al+Ti+C系燃烧反应,对自蔓延高温合成Al-Ti-C中间合金的结构形成机理进行了初步地探讨。经过稀释制备了Al-Ti-C细化剂,评价了Al-Ti-C细化剂对工业纯铝的细化效果,并与国内某厂及英国LSM公司生产的Al-5Ti-B细化剂进行了对比。 SHS过程研究表明,随着压坯压力增大,点火时间延长、反应起始温度升高,燃烧温度先升后降,在压坯压力为100MPa时达到最大值,Al-Ti-C中间合金产物中的晶粒由均匀分布、彼此分散变为外形不规则;随着原料颗粒尺寸的增大,燃烧温度和点火时间基本上呈现降低的趋势,而起始温度先降后升,近似呈“V”形,当颗粒尺寸在320目—450目之间时,反应起始温度最低;随着预热温度升高,燃烧温度不断升高,点火时间不断降低,但当预热温度过高时,反应后的产物在高温区的停留时间加长,从而导致有晶粒长大现象;随着点火电流强度增大,燃烧反应时的起始温度升高、点火时间延长,但点火电流强度变化对燃烧合成产物的微观组织结构影响不大;采用热爆和自蔓延两种引燃方式来触发Al-Ti-C燃烧合成反应的发生,发现自蔓延模式下的起始反应温度和燃烧温度都要比热爆模式下的低,但由于热爆模式下峰值温度过高,液态停留时间相对较长,因而容易造Al_3Ti和TiC相颗粒的偏聚以及晶粒长大。 淬熄(CFQ)实验表明,随着温度升高,Al粉首先熔化,并在压坯间隙中流动,从而将Ti粉和C粉颗粒包围并分隔开来,接着Al液包裹着Ti粉与之发生反应生成Al_3Ti,并放出大量的热使得反应物的温度不断升高,当温度足以使Ti粉发生熔化时,液态的Ti就会与高温下具有很高扩散能力的石墨发生反应生成TiC,放出大量的热量,该热量会使Al_3Ti部分熔化,直接与石墨颗粒充分接触反应生成大量亚微米尺寸TiC颗粒,随后地冷却过程中,TiC粒子从Al液中析出。 细化实验表明,自蔓延高温合成Al-Ti-C细化剂能抑制柱状晶的生成,有效地细化铝晶粒,而且其细化效果具有较好的长效性;自蔓延模式下的Al-Ti-C细化剂对纯铝有着更好的细化效果;与国内某厂及英国LSM公司生产的Al-5Ti-B细化剂相比,Al-Ti-C细化剂细化纯铝的效果更加明显。


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