[发明专利]一种快速凝固Al-Ti-B-Sc中间合金细化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明的技术方案涉及一种快速凝固Al-Ti-B-Sc中间合金细化剂的制备，属于铝合金添加剂应用技术领域。

背景技术

铝合金重量轻、资源丰富、综合性能好，因此在机械、交通运输、航天与军事工业等高新技术领域中的应用逐年增加。生产高质量的铝合金，控制铸锭组织是十分必要的，而控制其组织和性能的关键之一是获得细小均匀的等轴晶。晶粒细化是近期国际上对传统材料升级和创造新型合金的重要工艺手段，细化晶粒不仅可以提高材料的强度、韧性，还可以保证材料良好的铸造性及优异的加工性能。目前，细化晶粒的方法可分为内生形核质点法和外来形核质点法，内生形核法主要包括电磁作用、超声波振动、快速凝固等方法，而外来形核质点法是通过向吕溶液中加入中间合金细化剂，产生异质形核核心，提高晶体的形核率，从而细化晶粒。内生形核的几类方法都在设备复杂、成本较高等不同程度上受到局限，因此，目前向铝合金熔液中添加细化剂仍然是细化晶粒最简单有效的方法。

目前，应用较为广泛的铝合金细化剂包括Al-Ti-B、Al-Ti-C。Al-Ti-B的细化机理是Al-Ti-B加入到铝合金熔液中，会与铝熔体中的铝反应生成TiAl₃、TiB₂、AlB₂等粒子，它们分散到整个合金熔液中并形核，从而起到晶粒细化作用。Al-Ti-C的细化机理与Al-Ti-B相似，只是与铝熔液生成TiAl₃、TiC等微小颗粒，产生大量有效异质形核核心，提高了晶体的形核率，从而细化晶粒。随着铝合金晶粒细化剂的多元化发展，人们相继开发了细化效果明显且长效性的新型中间合金细化剂，如Al-Ti-B-RE、Al-Ti-C-RE。稀土元素是表面活性物质，易在铝或铝熔液的晶界和相面上吸附偏聚，稀土的加入不仅能够改善TiAl₃形核相的形态和分布，还能细化熔液中微粒尺寸，同时稀土还具有除氢、净化铝液的作用。钪是一种稀土元素，Sc元素是优化铝合金组织和性能的最有效的元素，Sc对铝合金有很强的弥散强化、晶粒细化作用，并可有效抑制Al的再结晶。Sc和Al相互作用的主要特征是共晶共格，Sc和Al生成的Al₃Sc相与Al基体母相共格，对位错及亚晶有极大的钉扎作用，阻止和抑制晶粒长大，促进晶粒细化。微量的钪元素就能够对铝合金起到很好的晶粒细化效果。

现有技术中，CN1584084A公开了一种高效铝合金细化剂，其由TiO₂、H₃BO₃、Na₃AlF₆和Al制成，其中TiO₂、H₃BO₃、Na₃AlF₆的摩尔比为（0.8-1.2）：（1.8-2.2）：（2.8-3.2），Al占原材料总重量的60-80%。该细化剂较传统Al-Ti-B细化剂有一定改进，但制备时原材料仍种类繁多，熔炼时间较长，能源浪费较大。CN1605642A公开了一种引入超声处理制备的Al-Ti-B细化剂，原材料使用K2TiF6、KBF4及工业纯铝，其中Ti和B所占质量百分比分别为2-10%、0.5-2%。超声波的引入使该细化剂中的微粒分布更加均匀，但是这也势必会增加设备的复杂性，增加成本，同时，超声波在某种程度上，对人体有害，应尽量避免在实际生产中的应用。CN103173663A公开了一种Al-Ti-B-Sr中间合金复合细化剂的制备方法，以纯铝锭、K₂TiF₆、KBF₄及Al-20Sr为原料，制备过程中采用了“三步加料法”，在一定程度上避免了细化剂内团聚现象的发生，稀土的加入可以改善细化剂内部组织，起到更好的细化效果。但是“三步加料法”分步向中频感应炉中加料势必会延长熔炼时间，增加了工艺的复杂性，同样也增加了能源的消耗；同时，以Al-20Sr为原料之一，制备出最终含Sr量为10%的Al-Ti-B-Sr中间合金，需要加入占总质量一半的Al-20Sr合金，一方面增加了成本，另一方面大量Al-Sr合金的加入使得Al-Ti-B中起细化效果的Ti和B元素的相对含量大大降低。

发明内容