一种制备Al-Ti-C晶粒细化剂的方法

技术领域

本发明属于金属材料的制造技术领域，尤其涉及一种制备Al-Ti-C晶粒细化剂的方法。

背景技术

晶粒细化是提高铝及其合金的力学性能、减少偏析、提高铸件的致密性的重要方法之一。 细化晶粒的方法较多，其中添加细化剂具有操作方便、作用快、效果稳定、设备简单等优点， 是一种最为经济、有效和实用的细化方法。前期研究表明加入诸如Al-Ti-B，Al-Ti-B-RE晶粒 细化剂到铝及其合金熔体中以获得细小等轴晶，提高了铝及其合金的力学性能、切削性能、 抗疲劳性能和良好的产品外观。因此，在过去几十年Al-Ti-B晶粒细化剂被广泛应用于铝及 其合金的铸造工序中。然而Al-Ti-B细化剂中的硼化物在铝熔体中容易聚集、沉淀，这大大 降低了其细化效果，而且在随后的加工过程中容易产生缺陷，尤其在铝箔生产过程中产生严 重的质量问题，造成大量的废品；同时一些元素，比如Zr、Cr、V等，容易使其“中毒”而 降低了其细化效果。因此，铝铸造工业迫切需求开发新型的铝及其合金细化剂来代替Al-Ti-B 晶粒细化剂。

由于Al-Ti-C晶粒细化剂中的TiC不容易发生聚集沉淀，对导致Al-Ti-B“中毒”的Zr、Cr、 V等元素具有“免疫”功能，因此Al-Ti-C晶粒细化剂是具有良好工业应用前景的晶粒细化 剂之一。近些年，科技工作者开发了铝热还原法、纯金属颗粒法、自蔓延法等制备方法。但 是石墨与铝的润湿性非常差，一定程度上影响了Al-Ti-C晶粒细化剂的制备及推广使用。而 且以石墨形式加入，在一定条件下生成Al₄C₃与Ti₃AlC₅，大大降低Al-Ti-C晶粒细化剂的细 化效果。改善碳的润湿性能和防止Al₄C₃与Ti₃AlC₅的生产是制备高效Al-Ti-C晶粒细化剂的 重要研究方向之一。

本发明钛熔于铝液中，温度控制在800-1400℃，保温后采用氮气或者氩气将纳米TiC分 散钛铝熔体中，得到Al-Ti-C晶粒细化剂(XRD分析结果及SEM照片如附图1所示)。该方 法所需设备简单、工艺流程短、制备效率高，TiC颗粒分散，是一种简单易行的Al-Ti-C晶粒 细化剂制备方法。该工艺所制备的Al-Ti-C晶粒细化剂具有良好的晶粒细化效果，加入 0.2％Al-Ti-C晶粒细化剂于纯铝中保温2h细化效果仍未见明显衰退(细化纯铝不同保温时间 宏观组织照片如附图2所示)，具有良好的工业应用前景。

发明内容

本发明提供一种制备Al-Ti-C晶粒细化剂制备技术，该方法具有制备设备简单、工艺流 程短、制备效率高等优点，所制备的Al-Ti-C晶粒细化剂具有良好的晶粒细化效果。

本发明提供一种Al-Ti-C晶粒细化剂的制备方法，其特征是直接采用氮气或氩气将纳米 TiC分散于铝钛熔体中得到Al-Ti-C晶粒细化剂(如附图3示所示)。纳米TiC粉体的TEM照 片如附图4所示，从该图可以看出纳米TiC颗粒粒径为5-30nm。附图1的XRD结果表明， 制备的Al-Ti-C晶粒细化剂含有Al、TiC和TiAl₃三种物相，所以该方法能实现纳米TiC的有 效添加。在晶粒细化过程中，TiC和TiAl₃都能作为α-Al的形核核心，但由于TiC是面心立 方，而且TiC的晶格常数(a＝0.4327nm)与α-Al的晶格常数(a＝0.4040nm)非常相近，因此TiC 比TiAl₃更容易作为α-Al的形核核心。由于该方法所制备的Al-Ti-C晶粒细化剂中的TiC是 纳米级别而且均匀分散的，所以TiC提供大量的晶面作为α-Al形核位置，提高Al-Ti-C晶粒 细化剂的细化效率。

根据上述制备方法，其特征在于，所制备的Al-Ti-C晶粒细化剂中碳的含量为0.1-1.6％， 钛的含量为2-10％。本发明所制备的Al-Ti-C晶粒细化剂只含有Al、TiC和TiAl₃三种物相， 因此碳的含量反映所制备的细化剂中纳米TiC的含量。上述分析表明TiC和TiAl₃都是所制备 的Al-Ti-C晶粒细化剂有效形核核心，它们的含量及分散性多少决定于细化剂的细化效果。 当碳的含量小于0.1％，细化剂中所含TiC较少，细化效果较差；当碳的含量大于1.6％不利 于TiC的分散，也不利于其细化效果。当钛的含量低于2％，TiAl₃含量较低，不利于Al-Ti-C 的晶粒细化性能；当钛的含量高于10％，合金的流动性能较低，不利于TiC的分散。

根据上述制备方法，其特征在于，晶粒细化剂的制备温度为800-1400℃。当温度低于800 ℃，TiC的稳定性比Al₄C₃差，所加入的TiC容易与Al熔体发生发生反应生成Al₄C₃，而Al₄C₃是六方结构，与α-Al具有很大的晶格错配度，所以很难作为α-Al的形核核心；当制备温度 高于1400℃，熔体的烧损较为严重，而且能耗太高。

附图说明

图1Al-Ti-C晶粒细化剂XRD及SEM照片

图2Al-Ti-C细化纯铝不同保温时间宏观组织照片

图3Al-Ti-C制备示意图

图4纳米TiC的TEM照片

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1

在Al-2％Ti合金中分别采用氮气或者氩气将熔体质量的0.5％、4.3％、8.0％的TiC(对应 C的含量分别为0.1％、0.85％、1.6％)分散于其中，加入时的温度选择800℃、1100℃、1400 ℃。在720℃时，加入0.2％所制备的Al-Ti-C晶粒细化剂到1000g铝熔体中，搅拌后保温10min， 浇注，腐蚀，测量其晶粒尺寸。

表1 Al-Ti-C晶粒细化剂细化效果

实施例2

在Al-6％Ti合金中分别采用氮气或者氩气将熔体质量的0.5％、4.3％、8.0％的TiC(对应 C的含量分别为0.1％、0.85％、1.6％)分散于其中，加入时的温度选择800℃、1100℃、1400 ℃。在720℃时，加入0.2％所制备的Al-Ti-C晶粒细化剂到1000g铝熔体中，搅拌后保温10min， 浇注，腐蚀，测量其晶粒尺寸。

表1 Al-Ti-C晶粒细化剂细化效果

实施例3

在Al-10％Ti合金中分别采用氮气或者氩气将熔体质量的0.5％、4.3％、8.0％的TiC(对 应C的含量分别为0.1％、0.85％、1.6％)分散于其中，加入时的温度选择800℃、1100℃、 1400℃。在720℃时，加入0.2％所制备的Al-Ti-C晶粒细化剂到1000g铝熔体中，搅拌后保 温10min，浇注，腐蚀，测量其晶粒尺寸。

表1 Al-Ti-C晶粒细化剂细化效果