燃燒合成Al-Ti-C結構宏觀動力學及Al-Ti-C細化效果評價.pdf

1、燃燒合成(SHS、CS)因其合成迅速、工藝簡單、節(jié)能等優(yōu)點成為制備化合物及復合材料的新技術。特別是在新一代鋁及鋁合金晶粒細化劑Al-Ti-C中間合金的制備中顯示出獨特的優(yōu)越性，燃燒合成方法較好地解決了產物TiC含量低、細化相Al3Ti、TiC分布不均等問題。雖然燃燒合成法制備Al/TiC復合材料的研究已取得很大進展，但是對燃燒合成Al-Ti-C中間合金晶粒細化劑的反應過程、組織轉變規(guī)律及結構形成機理研究甚少，燃燒合成法制備的Al-Ti-

2、C中間合金還未曾接受工業(yè)化應用評價。本文在國家“863計劃”新材料技術領域：新型鋁及鋁合金品粒細化合金Al-Ti-C及其線材(2003AA33X050)項目的支持下，進行以下方面研究： 本文用熱力學理論，計算了Al-Ti-C燃燒合成反應的絕熱溫度，發(fā)現絕熱溫度與預熱溫度大致呈線性關系，預熱溫度提高，反應的絕熱溫度也相應提高，燃燒合成制備Al-Ti-C中間合金的預熱溫度應大于633K。 采用自蔓延合成、熱爆合成及鋁液中熱爆

3、合成等三種模式制備了Al-Ti-C中間合金，并對其反應過程進行了比較，掌握了制備Al-Ti-C中間合金的不同工藝要求。探討了工藝參數對自蔓延合成Al-Ti-C中間合金的合成過程、產物相組成及組織形貌的影響，主要包括原料Ti/C比、壓坯壓力、壓坯直徑、預熱溫度、碳粉與Ti粉粒度等。發(fā)現自蔓延模式制備的Al-Ti-C中間合金組織形態(tài)優(yōu)于熱爆模式。原料Ti/C比是決定產物中TiC、Al3Ti相數量與分布形態(tài)的關鍵，壓坯壓力、預熱溫度、碳粉與T

4、i粉粒度等對燃燒溫度和產物組織形貌有顯著影響。探討了鋁液中熱爆合成Al-Ti-C中間合金的鋁液溫度、Al含量等工藝參數對反應過程以及對產物相組成及組織形貌的影響，發(fā)現隨著鋁液溫度提高、Al含量降低，反應體系燃燒溫度升高，中間合金中Al3Ti相數量減少，由細小塊狀向粗大棒狀轉變，TiC數量增多，并出現聚集長大現象。 在873-1473K范圍內對Al-Ti-C體系進行高溫X衍射分析，結合反應產物斷面形貌SEM觀察，研究Al-Ti-C

5、體系組織轉變過程，結果表明：試樣中Al熔化前未發(fā)生Al、Ti間的固-固擴散反應，873K時反應產物中無Al3Ti生成：973K時出現Al3Ti，1173K時TiC形成。 利用圓柱體鋼模具成功淬熄了自蔓延合成Al-Ti-C中間合金時壓坯中的燃燒波，得到了不同反應程度的產物微區(qū)形貌；另外，通過1073-1173K鋁熔體中熱爆合成Al-Ti-C反應壓坯的淬熄實驗，得到不同反應階段的淬熄組織。通過對不同淬熄區(qū)的產物進行相關的測試分析，認

6、為燃燒合成Al-Ti-C中間合金的反應過程大致分為以下幾個階段：①預熱階段的Al熔化過程；②初始反應階段的Al-Ti反應并析出Al3Ti過程；③完全反應階段Al3Ti分解，Ti-C反應過程④燃燒完成階段的產物冷卻結晶過程。提出燃燒合成Al-Ti-C中間合金過程中Al3Ti的形成反應符合反應-溶解-析出機制，即Al熔化后向Ti擴散，發(fā)生放熱反應3Al(l)+Ti(s)=Al3Ti(s)，最后從飽和Al-Ti熔體中析出Al3Ti:而TiC形

7、成反應存在擴散-析出、溶解-析出兩種機制，即①擴散-析出機制：在低溫區(qū)間，Al3Ti分解形成活性Ti原子，被碳吸附形成TiCx層，然后Ti、C沿相反方向同時向TiCx層中擴散，發(fā)生放熱反應[Ti]+C(s)=TiC(s)，至TiCx中C濃度達飽和時析出TiC粒子；②溶解-析出機制：在高溫區(qū)間，達到1613K后Al3Ti熔化形成Al-Ti層，C溶解其中形成Al-Ti-C熔體，發(fā)生放熱反應[Ti]+C(s)=TiC(s)最終TiC從飽和Al

8、-Ti-C熔體析出長大。 通過對自蔓延合成Al-Ti-C中間合金的稀釋工藝(壓坯壓力、鋁液溫度、保溫時間等)研究，獲得適合工業(yè)化批量生產的稀釋工藝參數；基于實驗室中對Al-Ti-C合金的制備、組織形態(tài)及細化性能評價結果，采用自蔓延合成方法制備20kg新型Al-Ti-C合金鑄錠，并擠壓加工為中間合金絲。新型Al-Ti-C合金絲由Al-TiC-Al3Ti組成，TiC為球形顆粒，尺寸0.5-1.5μm；Al3Ti為塊狀，尺寸8-20μ