燃烧合成Al-Ti-C结构宏观动力学及Al-Ti-C细化效果评价

发布时间：2020-11-19 22:50

　　 燃烧合成(SHS、CS)因其合成迅速、工艺简单、节能等优点成为制备化合物及复合材料的新技术。特别是在新一代铝及铝合金晶粒细化剂Al-Ti-C中间合金的制备中显示出独特的优越性,燃烧合成方法较好地解决了产物TiC含量低、细化相Al_3Ti、TiC分布不均等问题。虽然燃烧合成法制备Al/TiC复合材料的研究已取得很大进展,但是对燃烧合成Al-Ti-C中间合金晶粒细化剂的反应过程、组织转变规律及结构形成机理研究甚少,燃烧合成法制备的Al-Ti-C中间合金还未曾接受工业化应用评价。本文在国家“863计划”新材料技术领域:新型铝及铝合金晶粒细化合金Al-Ti-C及其线材(2003AA33X050)项目的支持下,进行以下方面研究: 本文用热力学理论,计算了Al-Ti-C燃烧合成反应的绝热温度,发现绝热温度与预热温度大致呈线性关系,预热温度提高,反应的绝热温度也相应提高,燃烧合成制备Al-Ti-C中间合金的预热温度应大于633K。 采用自蔓延合成、热爆合成及铝液中热爆合成等三种模式制备了Al-Ti-C中间合金,并对其反应过程进行了比较,掌握了制备Al-Ti-C中间合金的不同工艺要求。探讨了工艺参数对自蔓延合成Al-Ti-C中间合金的合成过程、产物相组成及组织形貌的影响,主要包括原料Ti/C比、压坯压力、压坯直径、预热温度、碳粉与Ti粉粒度等。发现自蔓延模式制备的Al-Ti-C中间合金组织形态优于热爆模式。原料Ti/C比是决定产物中TiC、Al_3Ti相数量与分布形态的关键,压坯压力、预热温度、碳粉与Ti粉粒度等对燃烧温度和产物组织形貌有显著影响。探讨了铝液中热爆合成Al-Ti-C中间合金的铝液温度、Al含量等工艺参数对反应过程以及对产物相组成及组织形貌的影响,发现随着铝液温度提高、Al含量降低,反应体系燃烧温度升高,中间合金中Al_3Ti相数量减少,由细小块状向粗大棒状转变,TiC数量增多,并出现聚集长大现象。 在873-1473K范围内对Al-Ti-C体系进行高温X衍射分析,结合反应产物断面形貌SEM观察,研究Al-Ti-C体系组织转变过程,结果表明:试样中Al熔化前未发生Al、Ti间的固—固扩散反应,873K时反应产物中无Al_3Ti生成;973K时出现Al_3Ti,1173K时TiC形成。 利用圆柱体钢模具成功淬熄了自蔓延合成Al-Ti-C中间合金时压坯中的燃烧波,得到了不同反应程度的产物微区形貌;另外,通过1073-1173K铝熔体中热爆合成Al-Ti-C反应压坯的淬熄实验,得到不同反应阶段的淬熄组织。通过对不同淬熄区的产物进行相关的测试分析,认为燃烧合成Al-Ti-C中间合金的反应过程大致分为以下几个阶段:①预热阶段的Al熔化过程;②初始反应阶段的Al-Ti反应并析出Al_3Ti过程;③完全反应阶段Al_3Ti分解,Ti-C反应过程④燃烧完成阶段的产物冷却结晶过程。 提出燃烧合成Al-Ti-C中间合金过程中Al_3Ti的形成反应符合反应—溶解—析出机制,即Al熔化后向Ti扩散,发生放热反应3Al(l)+Ti(s)=Al_3Ti(s),最后从饱和Al-Ti熔体中析出Al_3Ti:而TiC形成反应存在扩散—析出、溶解—析出两种机制,即①扩散—析出机制:在低温区间,Al_3Ti分解形成活性Ti原子,被碳吸附形成TiCx层,然后Ti、C沿相反方向同时向TiCx层中扩散,发生放热反应[Ti]+C(s)=TiC(s),至TiCx中C浓度达饱和时析出TiC粒子;②溶解—析出机制:在高温区间,达到1613K后Al_3Ti熔化形成Al-Ti层,C溶解其中形成Al-Ti-C熔体,发生放热反应[Ti]+C(s)=TiC(s)最终TiC从饱和Al-Ti-C熔体析出长大。 通过对自蔓延合成Al-Ti-C中间合金的稀释工艺(压坯压力、铝液温度、保温时间等)研究,获得适合工业化批量生产的稀释工艺参数;基于实验室中对Al-Ti-C合金的制备、组织形态及细化性能评价结果,采用自蔓延合成方法制备20kg新型Al-Ti-C合金铸锭,并挤压加工为中间合金丝。新型Al-Ti-C合金丝由Al-TiC-Al_3Ti组成,TiC为球形颗粒,尺寸0.5—1.5μm:Al_3Ti为块状,尺寸8—20μm,分散分布。 在工业化实际生产条件下评价新型Al-Ti-C合金丝的细化性能。结果表明,采用新型Al-Ti-C中间合金丝细化1235、5052、8011铝合金的效果与与进口Al-Ti-B相当,三种铝合金铸轧卷(锭)晶粒度均达到一级,力学性能优良,分别加工了0.0065mm箔材和0.014mm家用铝箔、0.0111mm啤酒封箔材、管材成品共17吨,全部销于用户,产品质量良好。
【学位单位】：兰州理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2007
【中图分类】：TG146.21
【部分图文】：

图2.12T石粉粒度对反应过程的影响另一方面，从自蔓延高温合成Al一Ti一C合成产物SEM形貌来看，随着Ti粉粒度减小，合成产物中出现晶粒烧结现象，如图2.13(a)所示，而一且产物中还出现了板条状的A13Ti，这种微观结构不利于后续的稀释处理和晶粒细化。 (a)<25pm(b)25一7pm

T扭粉粒度对产物微观组织结构的影响2.2.4.1压坯压力图2.14为不同压坯压力对自蔓延反应合成Al一Ti一C过程温度的影响，可见增大压坯压力反应起始温度显著增加:另外，随着压坯压力增大，燃烧温度Tc出现先升后降现象，压坯压力looMPa时，燃烧温度达到最大值。一方面，压坯压力增大，.试样的相对密度增加，原料粉末颗粒接触面积增加，燃烧反应时粉粒之间反应充分，反应放热增大，导致燃烧温度升高;另一方面，试样相对密度增加，热传导速度加快

在自蔓延高温合成反应过程中，绝热温度TaJ随预热温度T0的升高而升高。虽然实际反应时的热损耗较大，很难达到绝热条件，但实验中测得的燃烧温度Tc随预热温度T0变化的趋势仍与理论计算分析结果基本一致(见第三章)，如图2.17(a)所示。’eOOI(a)/’_’当/圣’当广\·\_.;’揭’5OO}/\·/鬓’4oo}/’3001/了’200(了，1月洲J呻eses，esee，~se甲eses，eewe丫 600550600650800台50预热温度 700750T(K)(b)一·一._.\\\一\(的)长宜从盆衬600预热沮度T(K)(a)燃烧温度(b)点火时间图2.17预热温度对反应过程的影响29
【引证文献】

相关期刊论文 前2条

1 张森;韩延峰;王俊;孙宝德;;Al-Ti-C中间合金研究进展[J];热加工工艺;2012年13期

2 丁万武;赵文军;夏天东;;热爆法合成Al-Ti和Al-TiC晶粒细化剂及其晶粒细化效果[J];铸造技术;2008年11期

相关硕士学位论文 前1条

1 张森;Al-Ti-B-C中间合金制备与细化性能研究[D];上海交通大学;2012年

本文编号：2890548