Al-Ta中間合金及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于細(xì)化鋁或鋁合金中α -Al晶粒的含鉭元素的鋁基中間合金細(xì)化劑及其制備方法，屬于金屬合金材料技術(shù)領(lǐng)域。
[0002]
【背景技術(shù)】
對(duì)鋁及其合金進(jìn)行晶粒細(xì)化是改善材料組織結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量、提高鑄造工藝性能及力學(xué)性能的一種重要方法。在一些鑄造鋁合金和變形鋁合金的生產(chǎn)中，常采用向熔體中添加Al-Ti中間合金的方式進(jìn)行晶粒細(xì)化。
[0003]Ti元素在Al-Ti中間合金中主要以TiAl3化合物粒子的方式存在。目前市場(chǎng)上常見的商用Al-Ti中間合金所含TiAl3粒子為多面體塊狀或長條狀，尺寸一般為幾十微米甚至100微米以上。這樣的Al-Ti中間合金加入到待處理的鋁合金中后，TiAl3化合物粒子因熔點(diǎn)較高熔化非常緩慢，最終殘留在鋁合金中。從材料力學(xué)的角度進(jìn)行分析，鋁合金受力時(shí)這些大尺寸粒子處容易產(chǎn)生微觀應(yīng)力集中，導(dǎo)致鋁合金力學(xué)性能下降；大尺寸的TiAl3粒子即意味著Ti元素偏析于TiAl3粒子所在局部區(qū)域，導(dǎo)致Al-Ti中間合金細(xì)化效率(一定數(shù)量的鈦元素所達(dá)到的晶粒細(xì)化效果)下降的問題，由于Ti元素原子在待細(xì)化的鋁合金中分布不均，可能又會(huì)帶來晶粒細(xì)化后鋁合金晶粒尺寸不均勻的問題。綜上分析，實(shí)際生產(chǎn)需要提供含有分布均勻和較小尺寸(3微米以下較為理想)TiAl3粒子的Al-Ti中間合金。但是由于在Al-Ti中間合金制備過程中TiAl3化合物很容易長大，這樣的Al-Ti中間合金制備較為困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種新型的Al-Ta中間合金細(xì)化劑，該中間合金所含有的TaAl3形核粒子尺寸細(xì)小，分布均勻，晶粒細(xì)化效率高于Al-Ti中間合金，在一些應(yīng)用場(chǎng)合可替代Al-Ti中間合金對(duì)鋁合金進(jìn)行晶粒細(xì)化。
[0005]本發(fā)明還公開了該Al-Ta中間合金的制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種Al-Ta中間合金，其化學(xué)成分由以下質(zhì)量百分比的組元構(gòu)成:Ta 0.3-20%,富鈰混合稀土 0-0.35%，其余為Al。
[0006]所述的富鈰混合稀土的主要成分(質(zhì)量百分含量):Ce 60%, La 25%、Pr 4%、Nd10%，其余為雜質(zhì)。
[0007]
上述中間合金中的Ta元素主要以TaAl3化合物粒子的方式鑲嵌于鋁基體中。
[0008]所述TaAl3化合物粒子為多面體或球狀，具有體心四方晶體結(jié)構(gòu)，粒子尺寸主要在0.1-3微米范圍內(nèi)。
[0009]如上所述Al-Ta中間合金的一種制備方法，其特征是由以下步驟組成:
(I )按所欲做Al-Ta中間合金的總質(zhì)量m及含鉭和富鋪混合稀土的比例(鉭和富鋪混合稀土的含量分別為n%和k%)成分比例稱取原料純鋁(純度99.7wt.%或以上)、K2TaF7(純度99wt.%或以上)和富鈰混合稀土。其中純鋁質(zhì)量為m (1-0.0075η)克，K2TaF7質(zhì)量為0.02169mn克，富鈰混合稀土質(zhì)量為0.0lmk克；
(2 )將純鋁在熔化爐內(nèi)熔化至690-740°C后再加入富鈰混合稀土，富鈰混合稀土熔化后攪拌鋁熔體使之成分均勻；
(3 )將K2TaF7分批加入純鋁熔體中，每批K 2 TaFj^質(zhì)量是鋁熔體質(zhì)量的5_10%，每批次加入后反應(yīng)5-15分鐘，然后再加入下一批；
(4 )K2 TaF7全部加入并反應(yīng)后，將合金熔體上層不同于金屬熔體的液體倒出，再將剩余鋁合金熔體倒入冷卻模具中，冷卻后即得Al-Ta中間合金。
[0010]如上所述的Al-Ta中間合金制備方法，其特征是原WK2TaF7為粉末，粉末顆粒尺寸為0.1-100微米。
[0011]如上所述的Al-Ta中間合金制備方法，其特征是將K2 TaF7W入純鋁熔體后，在熔體反應(yīng)過程中對(duì)熔體用碳棒進(jìn)行攪拌，攪拌速率為80-200轉(zhuǎn)/分鐘。
[0012]上述中間合金的制備方法中，將K2 TaF7W入鋁液后發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng):
3KZ TaF7 + 14Α1 = 6KF + 5A1F3+ 3TaAl3
其中的KF和AlF3以液體形式漂浮于合金熔體上層，TaAl 3固體粒子進(jìn)入鋁熔體中。
[0013]制備方法中，通過加入微量富鈰混合稀土，再附以控制K2 TaF7尺寸、分批加入K 2TaF7及進(jìn)行熔體攪拌等措施能夠控制TaAl 3粒子的形核與長大過程，使之具有合適的細(xì)小粒子尺寸且在熔體中分布均勻。
[0014]本發(fā)明提供的Al-Ta中間合金，TaAlji子尺寸細(xì)化小、在基體中分布均勻，加入到待細(xì)化的鋁或鋁合金中后Ta元素分布均勻，因此能夠避免大粒子尺寸帶來的各種問題。以相同的Ti和Ta原子數(shù)加入量進(jìn)行比較，本發(fā)明提供的Al-Ta中間合金對(duì)鋁的晶粒細(xì)化效率大大高于Al-Ti中間合金且獲得均勻的晶粒組織(圖5和圖6結(jié)果給出示例)。在需要Al-Ti中間合金進(jìn)行晶粒細(xì)化的合金中，可用Al-Ta替代Al-Ti中間合金，在滿足某些其它物理或化學(xué)性能的前提下又能獲得更理想的晶粒細(xì)化效果。
【附圖說明】
[0015]圖1為實(shí)施例1所制Al_17Ta中間合金的掃描電鏡低倍組織結(jié)構(gòu)圖。用掃描電鏡附帶的能譜儀分析表明圖中白色粒子為TaAl3，灰色相為鋁基體。TaAl3具有四方晶體結(jié)構(gòu)。
[0016]圖2為實(shí)施例1所制Al_17Ta中間合金的掃描電鏡高倍組織結(jié)構(gòu)圖。圖中白色粒子為TaAl3，灰色相為鋁基體。
[0017]圖3為實(shí)施例1所制Al_17Ta中間合金中TaAl3S子的掃描電鏡能譜圖，表明粒子由Ta和Al元素組成，兩元素的原子數(shù)比例為1:3。
[0018]圖4為未細(xì)化工業(yè)純鋁(純度為99.7wt.%)的宏觀晶粒組織圖。
[0019]圖5為添加實(shí)施例1所制備Al_17Ta中間合金后工業(yè)純鋁(純度為99.7wt.%)的宏觀晶粒組織圖。Ta原素的添加比例為:原子數(shù)百分比0.015%。
[0020]圖6為添加國內(nèi)某公司所生產(chǎn)的Al-1OTi中間合金后工業(yè)純鋁(純度為99.7wt.%)的晶粒組織宏觀圖。Ti原素的添加量為:原子數(shù)百分比0.015%。
[0021]圖4、5、6中晶粒細(xì)化除所用中間合金區(qū)別之外，其余條件完全相同。
[0022]圖7為圖6晶粒細(xì)化所用國內(nèi)某公司所生產(chǎn)的Al-1OTi中間合金的掃描電鏡組織結(jié)構(gòu)照片。圖中灰色相為基體鋁，淺白色的粒子為TiAl3。
[0023]
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述，需要說明的是，下述實(shí)施例僅是為了解釋本發(fā)明，并不對(duì)
【發(fā)明內(nèi)容】
進(jìn)行限定。
[0025]實(shí)施例1
Al-17Ta中間合金，其化學(xué)成分由以下質(zhì)量百分比的組元構(gòu)成:Ta，17%，富鈰混合稀土 0.2%，其余為Al。Ta元素主要以多面體或球狀TaAl3化合物粒子的方式鑲嵌于鋁基體中，具有體心四方晶體結(jié)構(gòu)，粒子尺寸主要在0.1-3微米范圍內(nèi)，其顯微組織結(jié)構(gòu)見圖1、2、3所示。國內(nèi)某公