【摘 要】
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随铝、钛及其合金应用范围越来越大,其生产加工过程中产生的屑料也日益增多。对铝屑和钛屑进行有效再生利用,实现资源再利用俨然成为一个重要命题。添加晶粒细化剂是实现晶粒细化最直接有效的方法,目前使用最多的铝合金晶粒细化剂是Al-Ti-B。Al-Ti-B具有易衰退、Ti B2颗粒粗大和原材料有毒等缺点。Al-Ti-C晶粒细化剂可以作为Al-Ti-B良好替代品,但石墨与液铝之间润湿性差的瓶颈难以突破,限制了
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随铝、钛及其合金应用范围越来越大,其生产加工过程中产生的屑料也日益增多。对铝屑和钛屑进行有效再生利用,实现资源再利用俨然成为一个重要命题。添加晶粒细化剂是实现晶粒细化最直接有效的方法,目前使用最多的铝合金晶粒细化剂是Al-Ti-B。Al-Ti-B具有易衰退、Ti B2颗粒粗大和原材料有毒等缺点。Al-Ti-C晶粒细化剂可以作为Al-Ti-B良好替代品,但石墨与液铝之间润湿性差的瓶颈难以突破,限制了发展。改善润湿性已演变为制备Al-Ti-C晶粒细化剂的关键技术。本研究利用石墨、二氧化铈和机械加工过程中产生的铝屑和钛屑作为原材料,采用熔体反应法制备了Al-5Ti-0.25C-1Ce晶粒细化剂。期望对铝屑和钛屑实现有效再生利用,借助稀土元素Ce提高石墨与铝液之间的润湿性,解决Al-Ti-C系列晶粒细化剂润湿性关键问题。利用光学显微镜（OM）、X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射/高分辨电子显微镜（TEM/HRTEM）等研究了Al-5Ti-0.25C-1Ce晶粒细化剂最佳制备工艺和细化工艺,探究了稀土元素Ce对微观组织和细化效果的影响,建立了Ti屑在铝熔体内溶解动力学模型,为钛屑再生利用提供理论基础。钛屑和铝屑再生制备Al-5Ti-0.25C-1Ce晶粒细化剂最佳制备工艺为:反应温度1000℃,反应时间80 min。反应温度低或反应时间短时,Al-5Ti-0.25C-1Ce晶粒细化剂的微观组织中只形成少量的Ti Al3和Ti2Al20Ce相。反应温度高或反应时间长时,Ti Al3和Ti2Al20Ce相的形貌由块状和短针状向长针状转变。稀土元素Ce的表面活性和催化作用有效提高石墨与铝液间的润湿性,促进了石墨反应,增加了Ti C生成量。1.0 wt%Ce有效将Ti C含量从0.36 wt%增加到0.92 wt%。微观组织观察表明稀土元素Ce触发了Ti2Al20Ce相形成,且Ti2Al20Ce相的形成源于Ce原子在Ti Al3晶格内的掺杂,Ti2Al20Ce与Ti Al3相之间不存在清晰可见界面,形成一个分布着大量位错的过渡区,该区内Ti2Al20Ce与Ti Al3两相原子相互交杂。Ti2Al20Ce相的特殊形成特性赋予Ce元素对Ti Al3相良好变质作用。基于二维Fick扩散理论建立的钛屑溶解动力学表明,铝熔体内钛屑半径与其溶解时间表现为指数函数关系。Al-5Ti-0.25C-1Ce晶粒细化剂的添加量低于1.0 wt%时,铝熔体内的异质形核质点随添加量的增加而增加,纯铝平均晶粒尺寸随添加量的增加而显著减小,从3500μm降低至76.3μm;之后,继续增加添加量不再显著降低纯铝平均晶粒尺寸,源于异质形核质点的饱和。细化时间为2 min时,纯铝平均晶粒尺寸达到最低,为60.36μm;之后,纯铝的平均晶粒尺寸随着细化时间增加而增加。因此,Al-5Ti-0.25C-1Ce晶粒细化剂的最佳细化工艺为:添加量为1.0 wt.%,细化时间为2 min。
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