【摘 要】
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Al-Si铸造合金具有良好的综合力学性能,被广泛用于航空航天、汽车工业。在合金中添加晶粒细化剂可显著细化其显微组织,提高合金的组织和力学性能。目前使用的商用Al-5Ti-B晶粒细化剂对Si含量较高的Al-Si系合金进行晶粒细化时,会出现“Si中毒现象”而降低其细化效能。使用Nb元素代替Ti元素,制备的Al-Nb-B对合金也有显著细化效果。本实验结合目前对Al-Nb-B晶粒细化剂的研究,制备了Al-
【基金项目】
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西安市智能兵器重点实验室（编号:2019220514SYS020CG042）； 陕西省重点研发计划（编号:2020ZDLGY13-01、2018ZDCXL-GY-09-08）；
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Al-Si铸造合金具有良好的综合力学性能,被广泛用于航空航天、汽车工业。在合金中添加晶粒细化剂可显著细化其显微组织,提高合金的组织和力学性能。目前使用的商用Al-5Ti-B晶粒细化剂对Si含量较高的Al-Si系合金进行晶粒细化时,会出现“Si中毒现象”而降低其细化效能。使用Nb元素代替Ti元素,制备的Al-Nb-B对合金也有显著细化效果。本实验结合目前对Al-Nb-B晶粒细化剂的研究,制备了Al-5Nb-B晶粒细化剂,并且对二元Al-Si合金的细化效果进行研究。以Al-5Nb-B晶粒细化剂的最佳制备工艺为研究目标,基于对Al-Nb-B体系的热力学计算和动力学分析,研究了Al-Nb-B晶粒细化剂生成相的性质及影响生成相的因素。首先,分别使用Nb粉和Al-6Nb合金与KBF4粉末在Al溶液中反应制备Al-Nb-B晶粒细化剂,研究了生成的Nb基金属间化合物Al3Nb和Nb B2的大小、分布等。然后,分别将两种细化剂添加到亚共晶（Al-4Si、Al-7Si）合金和近共晶Al-12Si合金中,研究了在二元Al-Si合金中添加1.5wt.%、3.0wt.%、4.5wt.%的Al-Nb-B晶粒细化剂,对合金显微组织中二次枝晶间距和晶粒平均尺寸的影响,测试了铸态下合金的室温拉伸性能。最后,总结了Al-Nb-B晶粒细化剂对二元Al-Si合金显微组织与室温力学性能的影响。主要结论如下:在Al溶液中使用Nb粉+KBF4粉末和Al-6Nb合金+KBF4粉末两种不同的工艺制备出的两种Al-5Nb-B晶粒细化剂,显微组织对比发现,反应生成的相主要包括金属间化合物Al3Nb、Nb B2颗粒,使用第一种工艺制备的质量最好的细化剂中Al3Nb平均尺寸为19.52μm,Nb B2平均尺寸为2μm。第二种工艺制备的细化剂中Al3Nb颗粒尺寸较大,主要分布在15-30μm之间的,Nb B2颗粒尺寸分布在1-4μm之间,两种化合物颗粒大小分布不均。前者细化剂中生成的金属间化合物Al3Nb、Nb B2颗粒的尺寸更小,颗粒分布也更加均匀。用作Al-Si合金α-Al晶粒的异质形核质点的Al3Nb、Nb B2颗粒数量更多,因而细化作用会更好。将两种工艺制备的Al-5Nb-B晶粒细化剂添加到二元Al-Si合金,实验结果表明铸造Al-Si合金的二次枝晶间距会随细化剂量的增加而减小。可以确定,两种工艺制备的不同细化剂对铸造Al-Si合金都有良好的细化效果,但是细化作用不同,使用Nb粉+KBF4粉末制备的细化剂添加到Al-Si合金中,二次枝晶间距更小,细小的花瓣状晶粒所占比例更高,引起共晶硅分布也更加均匀,添加4.5wt.%可将Al-4Si合金的二次枝晶间距减小57.63%;抗拉强度也更佳,断后延伸率增大了90.7%,断口形貌反映韧窝尺寸更小且分布更加均匀,断口的平整度也有显著提高。
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