本项创新发明介绍了一种Al-Ti-CNTs-Re中间合金细化剂,该细化剂由Al粉(30~40wt%)、TiC粉(35~40wt%)、CNTs粉(10~15wt%)和Re粉(10~20wt%)组成,旨在提高合金的细化效果。
背景技术
工业化现代进程不断提高,科学技术尤其是高端科学技术呈迅猛发展之势,对各类材料的综合性能要求日益提升。铝合金材料通常由铝与铜、镁、锌、锰、硅等其他金属元素组成,具有轻质量、高强度、耐腐蚀、高导热性、易加工、易成型等优点,作为一种重要的工程材料在各个领域都得到了广泛的应用。
其中,Al-Cu-Mn合金因强度高、重量轻、韧性好、模量大,生产制备快等优点,常用作高温工况下使用的精密铸件材料,在汽车、航空航天、船舶、军工等领域得到了广泛的应用。尽管Al-Cu-Mn合金有着优异的力学性能,但在高温工况下,由于晶界软化,晶粒熟化,其合金性能相较于室温性能会大幅下降,强度降低。因此,提升合金的高温性能是拓宽Al-Cu-Mn合金应用范围的关键。
细晶强化是提升材料综合力学性能的重要途径之一,然而,目前主流的细化方法主要存在以下问题:
1、通过降低浇铸温度,加速熔体冷却可以减小晶粒尺寸,但同时熔体的流动性受到大幅削减,合金流动性差,铸件在生产过程中容易出现浇不足、冷隔等缺陷,铸件内部也会由于产生分散性缩松、气孔、夹渣等缺陷,降低铸件质量,影响铸件的性能和气密性。
2、Kotadia等通过在凝固过程中施加物理外场如超声、电磁等,可以显著细化铝合金铸件的晶粒尺寸,且多项研究证明,功率超声可促进活化、脱气、过滤、非枝晶凝固和半固态变形等,电磁场可实现减轻宏观偏析,获得组织均匀、晶粒细小的铸锭效果。但这些方法设备耗能多,对铸造设备稳定性要求高,当铸锭规格过大时,磁场穿透熔体内部深度有限,电磁搅拌作用会相应减弱,内外部熔体状态不同也导致是性能的不均一,难以广泛应用。
在铝熔体中添加微量具有形核能力的中间合金也可实现细化晶粒的效果,且是最便捷的方法。
20世纪60年代,国外研究发现Al-Ti-B中间合金具有良好的细化效果。然而随着其在工业领域的广泛应用,人们发现Al-Ti-B中间合金内含的TiB2
颗粒在面对锆、硅等合金元素时会发生反应,导致大量的异质形核颗粒被消耗,细化效果减弱,即“中毒”现象。
基于Al-Ti-B中间合金的不足,Banerji等使用石墨替代B制备Al-Ti-C中间合金,在解决“中毒”不足的同时具有与Al-Ti-B中间合金相同的细化能力。但是石墨与Al的润湿性不足,不仅反应不彻底,剩余部分C残留污染熔体,而且内含的TiC尺寸较大,极易沉降,在长保温时间下的细化能力大幅下降。
2018年Jiang等以CNTs替换普通碳源生成了新型的Al-Ti-CNTs中间合金,因CNTs的独特结构,碳源与铝熔体的润湿性大幅提高,碳源利用率远超普通碳源,内含的TiC尺寸大幅减小至亚微米尺度。但其细化能力相较Al-Ti-C仅略有提升,并无显著突破。
伴随着发动机功率的不断提高,对制造发动机缸体、气缸盖等的材料也提出了更为高标准的抗高温性能要求,目前的商用铝合金在承受高温工况下强度衰减严重,难以满足当前性能需求。常规中间合金在细化晶粒的同时提升了铝合金的室温力学性能,但对高温下强度的大幅衰退并无明显改善。
因此,虽然细化剂的细化作用早已得到证实,但其的强化特性特别是高温工况下的强化效果不足,是目前制约耐高温合金的关键,开发一种兼顾细化晶粒和提升高温性能的中间合金,对于发动机工业制造领域至关重要。
实现思路