晶粒細(xì)化可改善鋁合金的加工性能，提高鋁材的質(zhì)量和性能。Al-5Ti-1B鋁合金是目前鋁加工企業(yè)最常用的晶粒細(xì)化劑，據(jù)報(bào)道，全世界約有75％的鋁加工材和鑄造鋁產(chǎn)品在鑄造過程中需要添加Al-5Ti-1B鋁合金。隨著我國(guó)鋁箔、易拉罐料、PS版基等高端鋁材產(chǎn)品的發(fā)展，對(duì)高品質(zhì)Al-5Ti-1B鋁合金的需求量越來(lái)越大，對(duì)其質(zhì)量也要求越來(lái)越高，既要求具有優(yōu)異的晶粒細(xì)化能力，還要求TiAl3相、TiB2粒子尺寸細(xì)小和分布均勻[2]。目前工業(yè)生產(chǎn)Al-5Ti-1B鋁合金主要采用氟鹽鋁熱反應(yīng)法制備合金熔體，然后再通過連鑄連軋或連續(xù)擠壓得到Al-5Ti-1B鋁合金線材。為了提高Al-5Ti-1B鋁合金的質(zhì)量和晶粒細(xì)化能力，科研人員先后研究了超聲振動(dòng)[4]、快速凝固[5]、劇塑性變形[6]以及C、Er、Re等元素[7-9]對(duì)Al-5Ti-1B鋁合金的顯微組織和晶粒細(xì)化能力的影響。
連續(xù)鑄擠是集金屬液態(tài)連續(xù)鑄造和連續(xù)擠壓為一體的短流程成形技術(shù)，采用該技術(shù)制備Al-5Ti-1B鋁合金具有工藝流程短、高效節(jié)能等顯著優(yōu)點(diǎn)[10]。為了提高連續(xù)鑄擠Al-5Ti-1B鋁合金的質(zhì)量和晶粒細(xì)化能力，本文采用自主設(shè)計(jì)的電磁攪拌定量澆注中間包[11]對(duì)Al-5Ti-1B鋁合金熔體進(jìn)行電磁攪拌，然后再連續(xù)鑄擠成形Al-5Ti-1B鋁合金線，研究了電磁攪拌對(duì)連續(xù)鑄擠Al-5Ti-1B鋁合金的組織與晶粒細(xì)化能力的影響。
1 實(shí)驗(yàn)材料與方法
實(shí)驗(yàn)材料為工業(yè)純鋁（99.8％，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和純度為98%的K2TiF6和KBF4粉末。實(shí)驗(yàn)設(shè)備為50 kg中頻感應(yīng)電爐、電磁攪拌定量澆注中間包、DZJ-350型連續(xù)鑄擠機(jī)、合金線冷卻槽和卷曲機(jī)。電磁攪拌定量澆注中間包的輸入電流為150 A，頻率為10 Hz。DZJ-350型連續(xù)鑄擠機(jī)的鑄擠輪直徑為350 mm，轉(zhuǎn)速為20 r/min。電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al-5Ti-1B鋁合金工藝流程如圖1所示。
圖1 電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al-5Ti-1B鋁合金工藝流程示意圖
Fig.1 Schematic illustration of continuous casting and extrusion process with electromagnetic stirring for Al-5Ti-1B master alloy
在中頻感應(yīng)電爐內(nèi)將工業(yè)純鋁加熱熔化，過熱至850 ℃后，將K2TiF6和KBF4混合粉末加入爐內(nèi)進(jìn)行鋁熱反應(yīng)。反應(yīng)完成后進(jìn)行精煉和扒渣，然后將合金熔體轉(zhuǎn)移到電磁攪拌定量澆注中間包內(nèi)調(diào)溫至780 ℃并保溫，同時(shí)進(jìn)行電磁攪拌，最后連續(xù)鑄擠成直徑9.5 mm的Al-5Ti-1B鋁合金線。為了進(jìn)行比較，對(duì)未經(jīng)電磁攪拌的Al-5Ti-1B鋁合金熔體在相同條件下也連續(xù)鑄擠成直徑9.5 mm的Al-5Ti-1B鋁合金線。
分別對(duì)Al-5Ti-1B鋁合金線進(jìn)行取樣，在JY-ULTIMA2型等離子體發(fā)射光譜儀上進(jìn)行化學(xué)成分分析，在D/MAX-RC 型X射線衍射儀上進(jìn)行物相組成分析。試樣經(jīng)磨制、拋光和腐蝕后，在NANO430型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡上進(jìn)行組織觀察，并測(cè)量TiAl3相和TiB2粒子的尺寸。
晶粒細(xì)化對(duì)象為工業(yè)純鋁，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為7.5 kW井式電阻爐和石墨坩堝。將工業(yè)純鋁置于坩堝爐內(nèi)加熱熔化，過熱至720 ℃后，進(jìn)行精煉和扒渣，然后加入0.2％的Al-5Ti-1B鋁合金，分別保溫2、15、60和120 min后，澆注到置于耐火磚上外徑75 mm、高25 mm、壁厚5 mm的環(huán)狀鋼模內(nèi)，鑄造成直徑65 mm、高25 mm的鋁錠試樣，沿鋁錠試樣高度中間部位鋸開，經(jīng)磨制、拋光并用混合酸溶液（70 ml HCl＋25 ml HNO3＋5 ml HF）腐蝕后，直接觀察鋁錠試樣的宏觀晶粒組織，采用截線法測(cè)量晶粒的平均直徑。
2 結(jié)果與分析
2.1 Al-5Ti-1B鋁合金的成分與物相
表1為電磁攪拌和未電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al-5Ti-1B鋁合金的化學(xué)成分。從表1可見，電磁攪拌的Al-5Ti-1B鋁合金中Ti、B元素含量分別為5.08%和1.02%，略高于未電磁攪拌的Al-5Ti-1B鋁合金，這主要是在中間包對(duì)Al-5Ti-1B鋁合金熔體施加了電磁攪拌，使熔體形成前后和上下的往返運(yùn)動(dòng)，阻止了TiB2粒子的團(tuán)聚和沉淀，提高了Ti、B元素的含量。而未電磁攪拌情況下，Al-5Ti-1B鋁合金熔體在中間包內(nèi)靜止過程中，TiB2粒子在重力作用下將發(fā)生團(tuán)聚和沉淀，特別是團(tuán)聚塊的形成將加速TiB2粒子的沉淀，導(dǎo)致Ti、B元素含量的下降。
為了避免加入Al-5Ti-1B鋁合金后對(duì)鋁熔體造成二次污染而影響鋁材的質(zhì)量和性能，在生產(chǎn)高端鋁材產(chǎn)品時(shí)，對(duì)Al-5Ti-1B鋁合金的純凈度也要求較高，其中要求Fe、Si、V等雜質(zhì)元素的含量越低越好。由于本文采用了較高純度的K2TiF6和KBF4作為原材料、采用鈦合金的熔煉工具和加強(qiáng)對(duì)熔體的精煉除雜等措施，從表1可看到，Al-5Ti-1B鋁合金中Fe、Si、V雜質(zhì)元素的含量均較低。
表1 Al-5Ti-1B鋁合金的化學(xué)成分（%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）
圖2為電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al-5Ti-1B鋁合金的X射線衍射譜圖。從圖2可見，Al-5Ti-1B鋁合金由α-Al、TiAl3和TiB2三種相組成，未見其它化合物存在。對(duì)未電磁攪拌Al-5Ti-1B鋁合金進(jìn)行X射線衍射分析，結(jié)果表明Al-5Ti-1B鋁合金也是由α-Al、TiAl3和TiB2三種相組成。上述結(jié)果表明在中間包對(duì)熔體進(jìn)行電磁攪拌不會(huì)改變Al-5Ti-1B鋁合金中的物相組成，這主要是K2TiF6、KBF4與鋁液的化學(xué)反應(yīng)是在中頻感應(yīng)電爐內(nèi)進(jìn)行，而中頻感應(yīng)電爐對(duì)熔體同樣具有電磁攪拌作用，可使K2TiF6、KBF4與鋁液充分反應(yīng)生成TiAl3和TiB2。
圖2 Al-5Ti-1B鋁合金的X射線衍射譜圖
Fig.2 XRD pattern of Al-5Ti-1B master alloy
2.2 Al-5Ti-1B鋁合金的顯微組織
TiAl3相和TiB2粒子的尺寸大小及分布狀態(tài)對(duì)Al-5Ti-1B鋁合金的晶粒細(xì)化能力以及鋁材的質(zhì)量都有重要影響。TiAl3相和TiB2粒子的尺寸越細(xì)小、分布越均勻，Al-5Ti-1B鋁合金的晶粒細(xì)化能力也越強(qiáng)。而TiB2粒子形成粗大的團(tuán)聚塊，一方面當(dāng)Al-5Ti-1B鋁合金加入到鋁熔體后，將減少TiB2粒子的有效形核數(shù)量，同時(shí)還將加速TiB2粒子的沉降，最終降低Al-5Ti-1B鋁合金的晶粒細(xì)化能力，另一方面，粗大的TiB2粒子團(tuán)聚塊還會(huì)導(dǎo)致鋁箔、易拉罐料、高檔PS版基等高端鋁材軋制或擠壓后表面產(chǎn)生針孔、撕裂、劃傷等缺陷，影響鋁材的表面質(zhì)量。
圖3和圖4分別為電磁攪拌和未電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al-5Ti-1B鋁合金的顯微組織。從圖3可見，電磁攪拌Al-5Ti-1B鋁合金中TiAl3相呈塊狀，平均尺寸為15.7 μm，如圖3a所示。TiB2粒子呈細(xì)小的顆粒狀均勻分布于α-Al基體，平均尺寸為0.74 μm，如圖3b所示。而未電磁攪拌Al-5Ti-1B鋁合金中TiB2粒子的團(tuán)聚現(xiàn)象較為嚴(yán)重，局部區(qū)域存在粗大的TiB2粒子團(tuán)聚塊，如圖4所示。比較圖3和圖4可知，與未電磁攪拌Al-5Ti-1B鋁合金相比，電磁攪拌Al-5Ti-1B鋁合金中TiB2粒子分布更均勻。
圖3 電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al-5Ti-1B鋁合金的顯微組織
Fig.3 Microstructure of Al-5Ti-1B master alloy prepared by continuous casting and extrusion process with electromagnetic stirring
(a) Low magnification, (b) High magnification
圖4 未電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al-5Ti-1B鋁合金的顯微組織
Fig.4 Microstructure of Al-5Ti-1B master alloy prepared by continuous casting and extrusion process without electromagnetic stirring
(a) Low magnification, (b) High magnification
2.3 Al-5Ti-1B鋁合金的晶粒細(xì)化能力
圖5為未添加Al-5Ti-1B鋁合金時(shí)純鋁的鑄態(tài)組織。從圖5可見，未添加Al-5Ti-1B鋁合金時(shí)，純鋁鑄態(tài)組織中柱狀晶發(fā)達(dá)，受鋼模激冷作用，距離試樣表層約5 mm寬區(qū)域形成一層細(xì)小的柱狀晶，試樣中心約10 mm寬區(qū)域?yàn)榇执蟮容S晶，其余均為粗大的柱狀晶，晶粒平均尺寸為2800 μm。
圖5 未添加Al-5Ti-1B鋁合金時(shí)純鋁的鑄態(tài)組織
Fig.5 Microstructre of pure Al without adding Al-5Ti-1B master alloy
圖6和圖7分別為添加0.2％的電磁攪拌和未電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al-5Ti-1B鋁合金后純鋁的鑄態(tài)組織。從圖6和圖7可見，添加Al-5Ti-1B鋁合金后，純鋁鑄態(tài)組織從粗大的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的等軸晶。其中添加電磁攪拌Al-5Ti-1B鋁合金保溫2 min，純鋁晶粒被細(xì)化至68 μm，如圖6（a）所示。保溫至120 min，純鋁晶粒未見明顯長(zhǎng)大，如圖6（d）所示。而添加未電磁攪拌Al-5Ti-1B鋁合金保溫2 min，純鋁晶粒僅被細(xì)化至121 μm，如圖7（a）所示。當(dāng)保溫時(shí)間延長(zhǎng)到120 min時(shí)，純鋁晶粒平均尺寸為186 μm，晶粒開始出現(xiàn)明顯長(zhǎng)大，如圖7（d）所示。
通過比較可發(fā)現(xiàn)，由于電磁攪拌Al-5Ti-1B鋁合金的TiB2粒子分布更均勻，當(dāng)Al-5Ti-1B鋁合金加入鋁熔體后，TiB2粒子能夠更快、更均勻分散進(jìn)入鋁熔體起到晶粒細(xì)化作用，使Al-5Ti-1B鋁合金能在短時(shí)間內(nèi)起到最佳晶粒細(xì)化效果，同時(shí)也延緩了TiB2粒子在鋁熔體中的沉降速度，提高了Al-5Ti-1B鋁合金的抗晶粒細(xì)化衰退能力。
圖6 添加0.2％電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al-5Ti-1B鋁合金后純鋁的鑄態(tài)組織
Fig.6 Microstructre of pure Al with adding 0.2% Al-5Ti-1B master alloy prepared by continuous casting and extrusion process with electromagnetic stirring
(a) 2 min, (b) 15 min, (c) 60 min, (d) 120 min
圖7 添加0.2％未電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al-5Ti-1B鋁合金后純鋁的鑄態(tài)組織
Fig.7 Microstructre of pure Al with adding 0.2% Al-5Ti-1B master alloy prepared by continuous casting and extrusion process without electromagnetic stirring
(a) 2 min, (b) 15 min, (c) 60 min, (d) 120 min
3 討論
氟鹽鋁熱反應(yīng)法制備Al-5Ti-1B鋁合金主要發(fā)生如下反應(yīng)[12]：
3K2TiF6+13Al=3TiAl3+3KAlF4+K3AlF6，△H=－575 kJ/mole （1）
6KBF4+3K2TiF6+10Al=3TiB2+9KAlF4+K3AlF6，△H=－1407 kJ/mole （2）
由于氟鹽K2TiF6、KBF4密度較小，浮在鋁熔體上面，反應(yīng)只在氟鹽與鋁熔體的交接面上進(jìn)行，如圖8所示。反應(yīng)生成大量的TiB2粒子，而TiB2粒子為高熔點(diǎn)（2980 ℃）、高密度（4.52 g/cm3）的化合物，在重力作用下容易沉淀，特別是大量的TiB2粒子在熔體中易形成團(tuán)聚，而團(tuán)聚塊的形成又將加速TiB2粒子的沉淀。
圖8 氟鹽/鋁熔體界面反應(yīng)示意圖
Fig.8 Schematic illustration of fluoride salt/Al interfacial reaction
由于連續(xù)鑄擠前Al-5Ti-1B鋁合金熔體在中間包內(nèi)需要經(jīng)歷了一個(gè)較長(zhǎng)的調(diào)溫和保溫時(shí)間，該過程中TiB2粒子容易發(fā)生團(tuán)聚和沉淀，最終使連續(xù)鑄擠Al-5Ti-1B鋁合金中TiB2粒子的團(tuán)聚現(xiàn)象較為嚴(yán)重。因此，為了防止TiB2粒子的團(tuán)聚和沉淀，本文在中間包內(nèi)對(duì)Al-5Ti-1B鋁合金熔體進(jìn)行電磁攪拌，電磁攪拌定量澆注中間包的結(jié)構(gòu)如圖1所示。中間包的上部設(shè)置有加熱裝置，可對(duì)合金熔體進(jìn)行加熱和保溫。在中間包底部設(shè)置電磁攪拌器，驅(qū)動(dòng)中間包內(nèi)Al-5Ti-1B鋁合金熔體做前后和上下的往返運(yùn)動(dòng)，起到阻止TiB2粒子團(tuán)聚和沉降作用，使TiB2粒子均勻分散于合金熔體內(nèi)。
經(jīng)電磁攪拌后的Al-5Ti-1B鋁合金熔體再通過導(dǎo)流槽定量澆入鑄擠機(jī)中由鑄擠輪和鑄擠靴形成型腔內(nèi)。在輪-靴型腔內(nèi)Al-5Ti-1B鋁合金依次經(jīng)歷了動(dòng)態(tài)凝固形核、半固態(tài)剪切攪拌[13]和劇塑性變形[14]三個(gè)階段，如圖9所示。在輪-靴型腔入口段，合金熔體不斷在旋轉(zhuǎn)鑄擠輪表面和靜止鑄擠靴表面凝固形核，從而增加了合金凝固結(jié)晶的晶核數(shù)量。在輪-靴型腔中間段，合金熔體冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍虘B(tài)漿料，在旋轉(zhuǎn)鑄擠輪的作用下，半固態(tài)漿料受到強(qiáng)烈的剪切攪拌作用，可破碎細(xì)化晶粒。在輪-靴型腔出口段，已完全凝固的合金條（斷面為15×15 mm）在經(jīng)歷90°轉(zhuǎn)角后被擠出?？壮尚螢橹睆?.5 mm的Al-5Ti-1B鋁合金線。動(dòng)態(tài)凝固形核、半固態(tài)剪切攪拌和大擠壓比、90°轉(zhuǎn)角的劇塑性變形最終使Al-5Ti-1B鋁合金的TiAl3相和TiB2粒子尺寸更加細(xì)小、分布更加均勻。
圖9 Al-5Ti-1B鋁合金連續(xù)鑄擠凝固與成形過程示意圖
Fig.9 Schematic illustration of Al-5Ti-1B master alloy solidification and forming during continuous casting and extrusion process
根據(jù)Al-5Ti-1B鋁合金對(duì)鋁晶粒的細(xì)化機(jī)理[15]，當(dāng)Al-5Ti-1B鋁合金加入鋁熔體后，TiB2粒子不熔解而直接分散進(jìn)入鋁熔體中，TiAl3相將逐漸熔解于鋁熔體中釋放出游離Ti原子，Ti原子再逐漸在TiB2粒子表面上偏聚形成TiAl3包覆層。在鋁熔體凝固結(jié)晶過程中，TiB2粒子與其表面的TiAl3包覆層一起與鋁熔體發(fā)生包晶反應(yīng)形成α-Al晶粒，即TiB2粒子在鋁晶粒細(xì)化過程中起到異質(zhì)形核核心作用。由于電磁攪拌Al-5Ti-1B鋁合金的TiB2粒子分布更加均勻，當(dāng)Al-5Ti-1B鋁合金加入鋁熔體后，TiB2粒子能夠更快、更均勻的分散進(jìn)入鋁熔體起到晶粒細(xì)化作用，因此，電磁攪拌Al-5Ti-1B鋁合金對(duì)鋁晶粒的細(xì)化響應(yīng)更快，晶粒細(xì)化效果更好。均勻分散的TiB2粒子還將降低TiB2粒子在鋁熔體中的沉降速度，從而提高電磁攪拌Al-5Ti-1B鋁合金的抗晶粒細(xì)化衰減能力。4 結(jié)論
采用電磁攪拌連續(xù)鑄擠工藝制備Al-5Ti-1B鋁合金，并與未電磁攪拌Al-5Ti-1B鋁合金進(jìn)行比較，研究了電磁攪拌對(duì)Al-5Ti-1B鋁合金的組織與晶粒細(xì)化能力的影響，結(jié)果表明：在中間包對(duì)Al-5Ti-1B鋁合金熔體施加電磁攪拌，能夠阻止TiB2粒子的團(tuán)聚和沉淀，提高Al-5Ti-1B鋁合金中Ti、B元素的含量、TiB2粒子的分布均勻性和晶粒細(xì)化能力。Ti、B元素含量分別為5.08％和1.02％。TiAl3相呈塊狀，平均尺寸為15.7 μm，TiB2粒子呈顆粒狀均勻分布于α-Al基體，平均尺寸為0.74 μm。在純鋁熔體中添加0.2％的Al-5Ti-1B鋁合金保溫2 min，可使純鋁晶粒從2800 μm細(xì)化至68 μm，保溫至120 min，鋁晶粒未見明顯長(zhǎng)大。
（1）在中間包對(duì)Al-5Ti-1B鋁合金熔體施加電磁攪拌能夠阻止TiB2粒子的團(tuán)聚和沉淀，提高Al-5Ti-1B鋁合金中Ti、B元素的含量，使TiB2粒子分布更加均勻。
（2）電磁攪拌連續(xù)鑄擠Al-5Ti-1B鋁合金的Ti、B元素含量分別為5.08％和1.02％，TiAl3相呈塊狀，平均尺寸為15.7 μm，，TiB2粒子均勻分布于α-Al基體，平均尺寸為0.74 μm。
（3）電磁攪拌能提高連續(xù)鑄擠Al-5Ti-1B鋁合金的晶粒細(xì)化能力，添加0.2％的Al-5Ti-1B鋁合金后保溫2 min，可使純鋁晶粒細(xì)化至68 μm，保溫至120 min，晶粒未見明顯長(zhǎng)大。
