纳米TiN/Ti细化剂对Al与Al-Zn-Mg-Cu合金的细化效果及细化机理研究

摘要

Al-Zn-Mg-Cu高强度铝合金是重要的航空航天结构材料，在国防建设和国民经济发展中具有重要的战略地位。但这类合金的合金化程度高，铸坯易出现组织粗大和枝晶偏析等缺陷，严重影响其塑性加工性能和力学性能。细化晶粒是改善铝合金质量、提高其加工性能和力学性能的重要手段。目前，使用 Al-Ti-B类中间合金细化铝合金晶粒是普遍采用的细化工艺。A1-T i-B类中间合金对多种铝合金具有优良的细化效果，但这类细化剂也存在一定问题，如 TiB2粒子聚集沉淀和被合金中的Zr、Cr、V等元素“毒化”而失去细化效果等。往铝液中添加超细陶瓷颗粒可提供大量的弥散质点促进晶粒的异质形核，细化铝合金的铸态组织，且外加超细陶瓷颗粒细化剂工艺具有良好的可控性，在各类铝合金的晶粒细化中具有广泛的应用前景。然而，外加超细陶瓷颗粒与铝液的润湿性差，颗粒难以均匀分散到铝合金的熔体中，制约了这种细化剂的开发和应用。
　　因此，开发新型高强度铝合金用纳米陶瓷颗粒复合晶粒细化剂，研究纳米陶瓷颗粒对 Al-Zn-Mg-Cu合金的凝固过程和时效动力学的影响规律及作用机制，为Al-Zn-Mg-Cu合金的铸坯组织控制、热处理工艺优化和材料的性能设计提供试验和理论基础，对Al-Zn-Mg-Cu合金生产技术的发展具有十分重要的意义。
　　本文采用高能球磨法制备金属Ti粉末负载纳米TiN晶粒细化剂（简称，TiN/Ti细化剂）。以工业纯铝和 Al-Zn-Mg-Cu合金为对象，研究了该细化剂对工业纯铝的细化效果及细化机理，研究了TiN/Ti细化剂对Al-Zn-Mg-Cu合金铸态组织和性能的影响；对TiN/Ti细化Al-Zn-Mg-Cu合金进行均匀化处理和热挤压变形，研究了固溶时效处理对TiN/Ti细化Al-Zn-Mg-Cu合金组织性能的影响，取得了如下研究成果：
　　TiN/Ti细化剂对纯铝具有良好的细化效果，可使纯铝的晶粒由1000μm的柱状晶细化为80μm的等轴晶。细化剂良好的细化效果源于其组成和结构，纳米TiN颗粒可作为α(Al)的异质形核衬底，促进α(Al)的形核，而载体Ti粉熔化在纳米TiN颗粒周围形成高温区，改善颗粒与 Al液的润湿性，熔化的Ti向纳米TiN富集在TiN颗粒表面形成不规则的富Ti区，进一步提高了TiN的形核能力；另一方面，少量聚集于枝晶前沿的纳米TiN颗粒抑制了枝晶的生长速度，有利于晶粒的细化。
　　对比研究了添加0.2wt.％ TiN/Ti、Al-5Ti-B和Ti粉对Al-Zn-Mg-Cu合金铸态组织的影响。结果表明，TiN/Ti可使α(Al)晶粒尺寸由400μm细化至134μm，小于Al-5Ti-B和Ti粉的208μm和236μm；合金的抗拉强度和显微硬度由175 MPa和117.1 HV分别提高至215 MPa和125.3 HV。TiN/Ti细化剂处理铝液保温60 min，α(Al)晶粒无明显长大，表现出良好的抗衰退性。
　　研究了TiN/Ti细化剂的加入量对Al-Zn-Mg-Cu合金微观组织和性能的影响。结果表明，当TiN/Ti加入量从0 wt.%升高为0.5 wt.%时，α(Al)晶粒尺寸从400μm细化至78.5μm，晶间第二相ζ[Mg(Zn, Cu, Al)2]和θ(Al2Cu)也相应被细化，沿晶界呈断续分布。当细化剂添加量为0.5 wt.%时，Al-Zn-Mg-Cu合金铸态时的屈服强度、抗拉强度和显微硬度分别为36.6 MPa、175MPa和118 HV，较未细化合金分别提高了103.8%、34.3%和29.2%。合金的屈服强度σy、断裂强度σ0或显微硬度HV与晶粒尺寸D之间均存在Hall-Petch关系，其中系数ky、k0和kH分别为605 MPa·μm1/2、984 MPa·μm1/2和239 HV·μm1/2。当加入量继续增大到0.7 wt.%时，合金的组织开始粗化、其屈服强度、断裂强度和显微硬度开始下降。合金拉伸断裂形式主要为沿晶断裂，晶界及第二相和基体交界处容易产生裂纹源。TiN/Ti细化剂能减少合金元素的偏析，显著改善 Al-Zn-Mg-Cu合金的抗剥落腐蚀性能，并减缓合金在全浸泡腐蚀中的失重速率，但随着加入量的增加，失重速率有变大的趋势。
　　研究了固溶时效处理对TiN/Ti细化Al-Zn-Mg-Cu合金组织和性能的影响。结果表明，在固溶处理过程中，Al-Zn-Mg-Cu合金晶间的第二相θ(Al2Cu)和ζ[Mg(Zn, Cu, Al)2]能完全溶进基体，TiN能有效抑制合金晶粒长大，并提高合金显微硬度。在时效处理过程中，未添加细化剂的合金主要析出相为η’相和θ相，有不连续的晶界析出相；加TiN/Ti的合金主要析出细小弥散的η’相和η相，无晶界析出相。合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别由未添加细化剂时的521.1 MPa，561.4 MPa和16.3%提高到569.8 MPa，595.5 MPa和18.1%。合金的拉伸断裂形式为穿晶韧性断裂，其中TiN/Ti细化的合金断口有大量细密的韧窝结构。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 铝合金晶粒细化的研究概况

1.3 外加超细陶瓷颗粒细化剂的概况

1.4 外加颗粒对铝合金固溶时效的作用

1.5 研究目的与研究内容

2 纳米TiN/Ti细化剂对纯Al的细化效果和细化机理

2.1 实验材料与方法

2.2 TiN/Ti对纯铝的细化效果

2.3 TiN/Ti对纯铝的细化机理

2.4 本章小结

3 纳米TiN/Ti细化剂对Al-Zn-Mg-Cu合金的细化效果

3.1 实验材料与方法

3.2 TiN/Ti细化剂对铸态组织的影响

3.3对力学性能的影响

3.4 TiN/Ti细化剂的抗衰退性

3.5 本章小结

4 TiN/Ti添加量对Al-Zn-Mg-Cu合金组织和性能的影响

4.1 实验材料与方法

4.2对铸态组织的影响

4. 3对力学性能的影响

4. 4 对耐腐蚀性能的影响

4.5 本章小结

5 TiN/Ti对固溶时效处理Al-Zn-Mg-Cu合金组织和性能的影响

5.1 实验材料与方法

5.2 均匀化处理对组织的影响

5.3 热挤压对组织的影响

5.4 固溶处理对Al-Zn-Mg-Cu合金组织和性能的影响

5.5 时效处理对组织和性能的影响

5.6 本章小结

6 研究结论及展望

6.1 主要结论

6.2 创新点

6.3 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间撰写与发表的论文

附录2 攻读博士学位期间获得的奖励