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细化剂Al-5Ti-1B对7075铝合金组织与性能的影响
发布人:铝加工    发布时间:2016-11-25

摘 要:研究了Al-5Ti-1B细化剂对7075铝合金显微组织与力学性能的影响。结果表明:Al-5Ti-1B是7075铝合金的有效晶粒细化剂,添加微量的Al-5Ti-1B细化剂,可使7075铝合金的显微组织从粗大的枝晶细化为细小均匀的等轴晶。


随着Al-5Ti-1B细化剂添加量的逐渐增加,7075铝合金的晶粒进一步细化,抗拉强度和伸长率继续提高。当Al-5Ti-1B添加量为0.5%时,7075铝合金被细化为平均直径38μm的等轴晶,合金的抗拉强度和伸长率分别提高到313MPa和4.2%,与未添加Al-5Ti-1B相比,7075铝合金的抗拉强度和伸长率分别提高了13.8%和48.2%。

Effect of Al-5Ti-1B grain refiner on microstructure and mechanical properties of 7075 wrought aluminum alloy


WANG Shuncheng1, Li Tao1, ZHENG Kaihong1, HU Quan2, HUANG Zhiqi2

(1. Guangdong General Research Institute of Industrial Technology(Guangzhou Research Institute of Nonferrous Metals), Guangzhou 510650, China; 2. Foshan Sanshui Fenglu Aluminum Co. Ltd.,Foshan 528133, China)


Abstract: The effects of Al-5Ti-1B grain refiner on microstructure and mechanical properties of as-cast 7075 aluminum alloy were studied. Results show that the Al-5Ti-1B is an efficient grain refiner of 7075 aluminum alloy. With adding trace Al-5Ti-1B grain refiner, the microstructure of 7075 aluminum alloy can be refined from coarse dendrite to fine and uniform equiaxed grains. With the increasing of additive amount of Al-5Ti-1B grain refiner, the grains of 7075 aluminum alloy are refined further and the tensile strength and elongation are improved further. When the additive amount of Al-5Ti-1B grain refiner is increased to 0.5%, the grains of 7075 aluminum alloy are refined to equiaxed grains with average diameter 38 μm and the tensile strength and elongation are improved to 313 MPa and 4.2%, respectively, which are increased by 13.8% and 48.2% compared with that of 7075 aluminum alloy without adding Al-5Ti-1B grain refiner.


Key words: 7075 aluminum alloy; Al-5Ti-1B grain refiner; grain refinement


1 前言


7075铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu系高强度变形铝合金,广泛应用于航空航天领域[1]。但7075铝合金的合金元素含量高,结晶温度范围宽,铸锭宏观偏析和热裂倾向严重,塑性加工困难[1]。晶粒细化是改善铝合金铸锭组织均匀性、减少热裂倾向和提高铸锭塑性变形能力的有效方法。


科研人员先后研究了电磁搅拌[2]、超声振动[3]、微量合金元素[4-6]、Al-Ti-B[7]、Al-Ti-C[8]等对Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的晶粒细化作用。电磁搅拌和超声振动方法难以解决大规格Al-Zn-Mg-Cu系铝合金铸锭的晶粒细化和组织均匀性问题,而Ti、Zr、Sc等微量合金元素的晶粒细化效果又十分有限。铸造过程中在熔体中直接添加细化剂是目前铝加工行业最常用的晶粒细化方法[9,10],但现有的Al-Ti-B和Al-Ti-C细化剂对Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的晶粒细化效果却不是很理想。


作者采用电磁搅拌连续铸挤方法制备了一种高性能的Al-5Ti-1B晶粒细化剂[11,12],通过电磁搅拌作用和连续铸挤半固态剪切搅拌及剧塑性变形作用,细化Al-5Ti-1B中TiAl3和TiB2粒子的尺寸,改善粒子的分布均匀性,从而提高Al-5Ti-1B的晶粒细化能力。本文研究了Al-5Ti-1B细化剂对7075铝合金显微组织与力学性能的影响。


2 实验材料与方法


实验材料为7075铝合金,采用工业纯铝、纯锌、纯镁和Al-30Cu合金熔炼配制,经SPECTROMAX型光电直读光谱仪分析,化学成分为(质量分数):6.01%的Zn,2.59%的Mg,1.81%的Cu,0.18%的Cr,0.14%的Fe,0.11%的Si,0.05%的Mn,余量为Al。实验用晶粒细化剂为电磁搅拌连续铸挤Al-5Ti-1B合金杆,化学成分为(质量分数):5.08%的Ti,1.02%的B,0.11%的Fe,0.09%的Si,0.01%的V,余量为Al。


实验设备为7.5 kW井式电阻炉和石墨坩埚。将7075铝合金在坩埚炉内于720 ℃加热熔化,精炼和扒渣后,分别添加0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%的Al-5Ti-1B合金杆,搅拌并保温30 min后,于720 ℃浇注到外径115 mm、壁厚15mm、高250 mm的钢模内,钢模预热温度为100 ℃,铸成直径100 mm、高200 mm的铝棒。


在铝棒横截面距中心二分之一半径位置取样,试样经磨制、抛光并用混合酸溶液腐蚀后,在LEICA-DMI3000M金相显微镜下进行组织观察,采用截线法测量晶粒的平均直径。在铝棒横截面距中心二分之一半径位置取样并加工成标准圆柱形拉伸试样,在DNS200型电子拉伸试验机上进行室温拉伸,拉伸速度为2 mm/min,在JCXA-733型场发射扫描电镜上对拉伸试样断口进行观察。


3 实验结果与分析


3.1 Al-5Ti-1B细化剂的显微组织


图1为Al-5Ti-1B细化剂的显微组织。从图1可见,Al-5Ti-1B合金由α-Al基体、TiAl3相和TiB2粒子组成,其中TiAl3相呈细小块状,平均尺寸为15.7 μm,如图1(a)所示。TiB2粒子呈细小的颗粒状均匀分布于α-Al基体上,平均尺寸为0.74 μm,如图1(b)所示。



3.2 对7075铝合金显微组织的影响


图2为Al-5Ti-1B添加量对7075铝合金显微组织的影响,图3为7075铝合金晶粒平均直径随Al-5Ti-1B添加量的变化曲线。从图2和图3可见,未添加Al-5Ti-1B时,7075铝合金显微组织为粗大的枝晶,如图2(a)所示。


当添加0.1%的Al-5Ti-1B后,7075铝合金的显微组织被细小为平均直径为54 μm的等轴晶,如图2(b)所示。随着Al-5Ti-1B添加量的继续增加,7075铝合金的晶粒进一步细化,但晶粒细化效应逐渐下降,如图2(c)、(d)和(e)所示。


当Al-5Ti-1B的添加量增加到0.5%时,7075铝合金的晶粒被细化为平均直径38 μm的等轴晶,如图2(f)所示。


上述结果表明,电磁搅拌连续铸挤Al-5Ti-1B是7075铝合金的有效晶粒细化剂,添加微量的Al-5Ti-1可使7075铝合金的显微组织从粗大的枝晶细化为细小均匀的等轴晶。




图3 7075铝合金晶粒平均直径随Al-5Ti-1B添加量的变化曲线


3.3 对7075铝合金力学性能的影响


图4为Al-5Ti-1B添加量对7075铝合金拉伸力学性能的影响。图5为7075铝合金试样的拉伸断口形貌。从图4可见,未添加Al-5Ti-1B时,由于7075铝合金的显微组织为粗大的枝晶,合金的拉伸力学性能较低,抗拉强度和伸长率分别为275 MPa和2.84%,试样拉伸断口也较为平滑,如图5(a)所示。


当添加0.1%的Al-5Ti-1B后,由于7075铝合金的显微组织被细化为均匀的等轴晶,合金的拉伸力学性能明显提高,抗拉强度和伸长率分别为290 MPa和3.85%,比未添加Al-5Ti-1B的合金抗拉强度和伸长率分别提高了5.5%和35.6%,试样拉伸断口转变为蜂窝状,如图5(b)所示。


随着Al-5Ti-1B的添加量从0.1%逐渐增加到0.5%,由于7075铝合金的晶粒进一步细化,合金的抗拉强度和伸长率都进一步提高。但是由于此时合金的晶粒效益逐渐下降,合金拉伸力学性能提高幅度也逐渐下降。当Al-5Ti-1B的添加量增加到0.5%时,7075铝合金的抗拉强度和伸长率分别达到313 MPa和4.2%,比未添加Al-5Ti-1B的合金抗拉强度和伸长率分别提高了13.8%和48.2%,拉伸试样断口呈细小均匀的蜂窝状,如图5(c)所示。


上述结果表明,通过添加Al-5Ti-1B细化剂细化7075铝合金的晶粒,可提高7075铝合金的抗拉强度和伸长率,特别是伸长率的大幅度提高,将提高铸锭的塑性变形能力,有利于后续的挤压、轧制和锻造等塑性加工。




4 结论


(1)电磁搅拌连续铸挤Al-5Ti-1B是7075铝合金的有效晶粒细化剂,添加0.1%的Al-5Ti-1B,可使7075铝合金从粗大的枝晶细化为平均直径54μm的等轴晶。


(2)随着Al-5Ti-1B添加量从0.1%增加至0.5%,7075铝合金晶粒进一步细化,抗拉强度和伸长率继续提高,但晶粒细化效应逐渐下降。


(3)Al-5Ti-1B添加量为0.5%时,7075铝合金被细化为平均直径38 μm的等轴晶,抗拉强度和伸长率分别为313 MPa和4.2%,与未添加Al-5Ti-1B相比,分别提高了13.8%和48.2%。

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