Effect of electromagnetic stirring on microstructure and grain refining efficiency of Al-5Ti-1B grain refiner
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摘要: 在中间包对Al-5Ti-1B熔体施加电磁搅拌, 然后连续铸挤成Al-5Ti-1B丝, 研究了电磁搅拌对Al-5Ti-1B的显微组织与晶粒细化能力的影响, 结果表明:电磁搅拌能够阻止TiB2粒子的团聚和沉淀, 改善TiB2粒子的分布均匀性, 提高Al-5Ti-1B的晶粒细化能力.Al-5Ti-1B的Ti?B元素含量分别为5.08 %和1.02 %, TiB2粒子平均尺寸为0.74 μm, TiAl3相平均尺寸为15.7 μm.添加0.2 %的Al-5Ti-1B后保温2 min, 可使纯铝晶粒从2 800 μm细化至68 μm, 保温120 min, 晶粒未见长大.Abstract: The Al-5Ti-1B grain refiner was prepared by continuous casting and extrusion process with electromagnetic stirring. The effect of electromagnetic stirring on microstructure and grain refining efficiency of Al-5Ti-1B grain refiner were investigated. Results show that the agglomerating and precipitating of TiB2 particles in Al-5Ti-1B melt can be prevented by electromagnetic stirring. The distribution of TiB2 particles in α-Al and grain refining efficiency of Al-5Ti-1B grain refiner can be improved by electromagnetic stirring. The content of Ti and B are 5.08% and 1.02%. The average size of TiB2 particles uniformly distributed in the α-Al is 0.74 μm. The average size of TiAl3 phase with square shape is 15.7 μm. The grain average size of pure aluminum with adding 0.2% Al-5Ti-1B grain refiner and holding 2 min are refined from 2800 μm to 68 μm. When the holding time is prolonged to 120 min, the grains coarsening are not occurring.
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0 前 言
晶粒细化可改善铝合金材料的组织均匀性和塑性变形能力，提高铝材产品的力学性能.目前铝加工行业最常用的晶粒细化剂是Al-Ti-B，据报道，全世界75 %以上的铝材产品在生产过程中添加的是Al-Ti-B晶粒细化剂[1, 2].随着近年来我国高端铝材产品的发展，对Al-Ti-B的冶金质量和晶粒细化能力也要求越来越高[3].为了提高Al-Ti-B的冶金质量和晶粒细化能力，科研人员先后研究了超声振动[4]、快速凝固[5]、剧塑性变形[6]以及C、Er、Re等元素[7, 8, 9]对Al-Ti-B的显微组织和晶粒细化能力的影响.
连续铸挤是集金属铸造和挤压为一体的短流程成形技术，采用该技术制备Al-Ti-B具有工艺流程短、高效节能等显著优点[10].为了提高连续铸挤Al-Ti-B的冶金质量和晶粒细化能力，采用自主设计的电磁搅拌中间包[11]对Al-5Ti-1B熔体进行电磁搅拌，研究了电磁搅拌对Al-5Ti-1B的显微组织与晶粒细化能力的影响.
1 实验材料与方法
实验材料为工业纯铝、KBF4和K2TiF6粉末.实验设备为连续铸挤机、电磁搅拌中间包和中频感应电炉.连续铸挤机的铸挤轮直径为350 mm，转速为20 r/min.电磁搅拌中间包的输入电流为150 A，频率为10 Hz.电磁搅拌连续铸挤Al-5Ti-1B的工艺流程如图 1所示.
将工业纯铝在中频感应电炉内于850 ℃加热熔化，然后加入KBF4和K2TiF6混合粉末进行反应，除气除渣后，将熔体转移到中间包内调温至780 ℃并保温，同时进行电磁搅拌，最后连续铸挤成直径9.5 mm的Al-5Ti-1B丝.为了进行比较，对未经电磁搅拌的Al-5Ti-1B熔体在相同条件下也连续铸挤成Al-5Ti-1B丝.
对Al-5Ti-1B丝进行取样，在D/MAX-RC 型X射线衍射仪上进行物相分析，在JY-ULTIMA2型等离子体发射光谱仪进行成分分析.试样经粗磨、细磨、抛光和腐蚀后，在NANO430型场发射扫描电镜上进行显微组织观察，测量TiB2粒子和TiAl3相的平均尺寸.
细化实验设备为石墨坩埚和7.5 kW井式电阻炉.将工业纯铝于720 ℃加热熔化，除气除渣后，添加0.2 %的Al-5Ti-1B，分别保温2 min、15 min、60 min和120 min后，浇注到环形钢模内，钢模尺寸为外径75 mm、壁厚5 mm、高25 mm，铸造成高25 mm、直径65 mm的铝锭试样，沿铝锭试样高度中间部位锯开，经粗磨、细磨、抛光和腐蚀后，观察铝锭的宏观组织，采用截线法测量铝晶粒的平均尺寸.
2 结果与分析
2.1 Al-5Ti-1B的成分与物相
表 1为Al-5Ti-1B的化学成分.从表 1可见，经过电磁搅拌的Al-5Ti-1B中Ti、B元素含量分别为5.08 %和1.02 %，略高于未电磁搅拌的Al-5Ti-1B，这主要是在中间包对Al-5Ti-1B熔体施加了电磁搅拌，使熔体形成前后和上下的往返运动，阻止了TiB2粒子的团聚和沉淀，提高了Ti、B元素的含量.而未电磁搅拌情况下，Al-5Ti-1B熔体在中间包内静止过程中，TiB2粒子在重力作用下将发生团聚和沉淀，特别是团聚块的形成将加速TiB2粒子的沉淀，导致Ti、B元素含量的下降.
表 1 Al-5Ti-1B的化学成分 /wt%制备方法 Ti B Fe Si V 电磁搅拌 5.08 1.02 0.11 0.087 0.011 未电磁搅拌 5.04 1.01 0.11 0.086 0.011 为了避免添加Al-5Ti-1B对铝熔体造成二次污染而影响铝材的冶金质量和力学性能，在生产高端铝材产品时，对Al-5Ti-1B的纯净度都有明确要求，一般要求Fe、Si、V杂质元素的含量越低越好.由于本文采用了较高纯度的KBF4和K2TiF6作为原材料、采用钛合金的熔炼工具和加强对熔体的精炼除杂等措施，Al-5Ti-1B中Fe、Si、V杂质元素的含量均较低，如表 1所示.
图 2为电磁搅拌Al-5Ti-1B的X射线衍射谱图.从图 2可见，Al-5Ti-1B由α-Al基体、TiB2粒子和TiAl3相组成.对未电磁搅拌Al-5Ti-1B进行X射线衍射分析，结果表明Al-5Ti-1B也是由α-Al基体、TiB2粒子和TiAl3相组成.上述结果表明在中间包施加电磁搅拌不会改变Al-5Ti-1B的物相组成，这主要是KBF4和K2TiF6与铝液的化学反应是在中频感应电炉内完成的.
2.2 Al-5Ti-1B的显微组织
TiB2粒子和TiAl3相的尺寸大小、分布状态对Al-5Ti-1B的晶粒细化能力和最终铝材产品的表面质量都有影响.TiB2粒子分布越均匀，TiAl3相尺寸越细小，Al-5Ti-1B的晶粒细化能力也越强.如果TiB2粒子偏聚成团，当Al-5Ti-1B添加到铝合金熔体后，将会减少参与异质形核的TiB2粒子数量，降低Al-5Ti-1B的晶粒细化能力，同时还会加速TiB2粒子在铝熔体中的沉降，加速晶粒细化效果的衰退.另外，如果TiB2粒子形成粗大的团聚块还会导致精密铝材产品表面产生砂眼、针孔等缺陷，影响铝材的表面质量.
图 3和图 4分别为电磁搅拌和未电磁搅拌Al-5Ti-1B的显微组织.从图 3可见，电磁搅拌Al-5Ti-1B的TiAl3相形态为方块状，平均尺寸为15.7 μm，如图 3（a）所示.TiB2粒子均匀分布于α-Al基体，粒子形态为颗粒状，平均尺寸为0.74 μm，如图 3（b）所示.而未电磁搅拌Al-5Ti-1B的TiB2粒子的团聚现象较为严重，局部区域存在粗大的TiB2粒子团聚块，如图 4所示.通过比较可发现，电磁搅拌可显著改善Al-5Ti-1B中TiB2粒子的分布均匀性.
2.3 Al-5Ti-1B的晶粒细化能力
图 5为未添加Al-5Ti-1B时纯铝的铸态组织.从图 5可见，纯铝晶粒十分粗大且分布不均匀，试样中心为粗大的等轴晶，表层为细小的柱状晶，其余为粗大的柱状晶，平均晶粒尺寸达到2 800 μm.
图 6和图 7分别为添加0.2%的电磁搅拌和未电磁搅拌Al-5Ti-1B后纯铝的铸态组织.添加Al-5Ti-1B后，纯铝的晶粒都得到明显细化，其中，添加电磁搅拌的Al-5Ti-1B，保温2 min后纯铝晶粒被细化至68 μm，如图 6（a）所示，保温至120 min，晶粒未见明显长大，如图 6（d）所示.而添加未电磁搅拌的Al-5Ti-1B，保温2 min后纯铝晶粒仅被细化至121 μm，如图 7（a）所示，当保温时间延长到120 min时，纯铝晶粒平均尺寸为186 μm，晶粒开始出现明显长大，如图 7（d）所示.
通过比较可发现，电磁搅拌Al-5Ti-1B具有更强的晶粒细化能力，这是由于电磁搅拌Al-5Ti-1B的TiB2粒子分布更均匀，当Al-5Ti-1B加入铝熔体后，TiB2粒子能够更快、更均匀分散进入铝熔体，参与异质形核的TiB2粒子数量更多，因而Al-5Ti-1B的晶粒细化能力更强.另外，TiB2粒子分布均匀能够延缓TiB2粒子在铝熔体中的沉降，从而提高Al-5Ti-1B的晶粒细化抗衰退能力.
3 讨 论
在Al-5Ti-1B制备过程中，KBF4和K2TiF6粉末与铝液的反应如下[12]：
$$\eqalign{ & 3{K_2}Ti{F_6} + 13Al = 3TiA{l_3} + {K_3}Al{F_6} + 3KAl{F_4}, \cr & \Delta H = - 575kJ/mol \cr} $$ (1) $$\eqalign{ & 3{K_2}Ti{F_6} + 6KB{F_4} + 10Al = 3Ti{B_2} + {K_3}Al{F_6} + 9KAl{F_4}, \cr & \Delta H = - 1407kJ/mol \cr} $$ (2) KBF4和K2TiF6与铝液的反应界面如图 8所示，反应生成大量的TiB2粒子，由于TiB2粒子为高密度化合物（4.52 g/cm3），在重力作用下容易沉淀，特别是大量的TiB2粒子在熔体中易形成团聚，而团聚块的形成又将加速TiB2粒子的沉淀.由于连续铸挤前Al-5Ti-1B熔体在中间包内需要经历了一个较长的调温和保温时间，为了防止TiB2粒子在中间包内发生团聚和沉淀，本文在中间包底部安装电磁线圈，电磁线圈产生磁场作用于Al-5Ti-1B熔体中产生洛伦兹力，洛伦兹力驱动中间包内熔体做前后和上下的往返运动[11]，从而阻止TiB2粒子的发生团聚和沉降，使TiB2粒子均匀分散于熔体中.
经电磁搅拌后的Al-5Ti-1B熔体再定量浇入铸挤机中，如图 9所示，在铸挤轮与铸挤靴形成的型腔内，熔体首先在铸挤轮和铸挤靴表面凝固形核，然后逐渐冷却转变为半固态浆料，在铸挤轮的旋转作用下，半固态浆料受到强烈的剪切搅拌作用，最后凝固合金再经过90°转角后被挤出模孔形成直径9.5 mm的Al-5Ti-1B丝.连续的凝固形核、半固态搅拌[13]和剧烈塑性变形[14]最终使TiAl3相和TiB2粒子得到破碎细化，TiB2粒子更加均匀分布于α-Al基体上.
根据Al-5Ti-1B对铝晶粒的细化机理[15]，当Al-5Ti-1B添加到铝熔体后，TiAl3相由于熔点低而逐渐熔解并释放出Ti原子，TiB2粒子由于熔点高（2 980 ℃）而保留在铝熔体中.由于Ti原子与TiB2粒子之间存在浓度梯度，Ti原子会逐渐在TiB2粒子表面上偏聚形成TiAl3层.在铝熔体凝固结晶过程中，TiB2粒子表面的TiAl3与铝熔体发生包晶反应形成α-Al晶粒，即TiB2粒子在铝晶粒细化过程中充当了异质形核核心作用.由于电磁搅拌Al-5Ti-1B的TiB2粒子分布更加均匀，当Al-5Ti-1B加入铝熔体后，TiB2粒子能够更快、更均匀的分散进入铝熔体中，即更多的TiB2粒子参与异质形核起到晶粒细化作用，因此，电磁搅拌Al-5Ti-1B的晶粒细化能力更强.另外，TiB2粒子均匀分散能够降低TiB2粒子在铝熔体中的沉降速度，因而电磁搅拌Al-5Ti-1B的晶粒细化抗衰减能力也更强.
4 结 论
（1）电磁搅拌能够阻止TiB2粒子的团聚和沉淀，提高Al-5Ti-1B的Ti、B元素含量、TiB2粒子分布均匀性和晶粒细化能力.
（2）电磁搅拌连续铸挤Al-5Ti-1B的Ti、B元素含量分别为5.08 %和1.02 %，TiB2粒子平均尺寸为0.74 μm，TiAl3相平均尺寸为15.7 μm.
（3）添加0.2 %的电磁搅拌Al-5Ti-1B后保温2 min，可使纯铝晶粒细化至68 μm，保温至120 min，晶粒未见长大.
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表 1 Al-5Ti-1B的化学成分 /wt%
制备方法 Ti B Fe Si V 电磁搅拌 5.08 1.02 0.11 0.087 0.011 未电磁搅拌 5.04 1.01 0.11 0.086 0.011 
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