7050铝合金晶粒细化剂的选择和应用

袁冰梅

(广西南南铝加工有限公司，广西南宁 530031)

7050铝合金属于Al－Zn－Mg－Cu系超高强度铝合金，具有高的抗拉强度和屈强比，综合性能优异，广泛应用于航空航天领域，成为该领域重要的结构材料［1］。随着航空航天工业的科技发展，要求铝合金材料具有更高的强度和韧性。晶粒细化是控制材料组织，改善材料性能的一个重要手段。通过晶粒细化，不仅使初晶α－Al由粗大树枝晶变为细小等轴晶，而且还起到以下作用:改善合金的补缩能力，使组织致密;使二次枝晶细小，第二相分布均匀，有利于抑制或减轻宏观偏析、羽毛状晶、浮游晶和粗大金属间化合物的生成;减少针孔的尺寸和数量，使其分布更加均匀弥散;消除铝合金表面缺陷和热轧缺陷，克服热裂缺陷和产生倾向，减少裂纹，改善和提高铸锭的塑性加工变形能力及提高产品的内在质量等［2］。因此强化熔铸过程中的晶粒细化处理，是控制铸锭组织，获得优质铝材加工坯料，改善铝合金冶金质量的重要途径。在生产实践中，通常是在铸造时在线连续向铝熔体中添加中间合金晶粒细化剂进行晶粒细化，这也是目前效果最好，最实用的晶粒细化方法。

含有Zr元素的Al－Zn－Mg－Cu系超高强度铝合金，如果使用Al－Ti－B细化晶粒，Zr会对晶粒细化剂产生“毒化”作用，即Zr元素会与TiB2反应，使得Al－Ti－B中间合金的细化能力明显减弱甚至消失，出现大晶粒或形成不均匀组织。这种由于其它元素的影响而出现的细化效果衰退现象被称为细化“中毒”［3］。为了尽可能避免或减小Zr的“毒化”作用，生产7050铝合金铸锭时不宜使用Al－Ti－B中间合金作细化晶粒剂。

1 Al－Ti－B中间合金晶粒细化剂存在的问题

虽然Al－Ti－B晶粒细化剂具有很好的晶粒细化能力，是目前使用最多的铝合金用晶粒细化剂。但实际应用中仍存在一些问题:(1)Al－Ti－B中TiB2尺寸较大(0.5～3 μm)，在铝熔体易聚集成团［4］，引起细化效果减弱;(2)在线连续添加时易堵塞过滤板;(3)中间合金中的TiB2颗粒硬度高，在后续的压力加工中易产生缺陷，如会使板材表面产生划痕或条纹，加工成铝箔后出现缩孔和针孔，并且会损伤轧辊表面;(4)Zr会对Al－Ti－B晶粒细化剂产生“毒化”作用，使细化效果衰退甚至消失。国内对经过0.2%Al－5Ti－1B中间合金细化处理后的工业纯铝中加入Zr元素后晶粒尺寸的变化做的研究表明［3］，加入Zr元素后铸锭组织明显粗化，且随着Zr含量的增加粗化作用明显增加，当Zr含量大于0.06%后，Al－5Ti－1B的细化作用急剧降低，当Zr含量达到0.12%时，铸锭组织的晶粒粗化至1 450 μm左右。提高浇铸温度会进一步加剧Zr的“毒化”作用，当浇铸温度提高到800℃时，0.12%的Zr将使0.2%Al－5Ti－1B完全失去细化作用。图1为不同熔炼温度下Zr含量对0.2%Al－5Ti－1B细化效果的影响。

图1 Zr含量对0.2%Al－5Ti－1B中间合金细化效果的影响

2 Al－3Ti－0.15C中间合金对7050铝合金的晶粒细化效果

针对Al－Ti－B中间合金在实际生产中存在的上述不足，人们研发出了Al－Ti－C中间合金晶粒细化剂并应用于某些合金的晶粒细化。Al－Ti－C虽然也是通过TiAl3和TiC两种粒子起到细化作用，且TiC质点也有很高的熔点，但它本身不象TiB2那样容易聚集，从而使上述Al－Ti－B的不足得以避免或减少。本试验在生产7050铝合金铸锭时，选用Al－3Ti－0.15C中间合金作为晶粒细化剂。

2.1 试验材料

试验所用7050铝合金按表1所示化学成分制备。

表1 7050合金化学成分 %

试验所用Al－3Ti－0.15C为线材形式的中间合金晶粒细化剂，其化学成分如表2所示。

表2 Al－3Ti－0.15C中间合金化学成分 %

2.2 试验过程

在50 t熔保炉熔炼7050铝合金，采用DC铸造技术铸造出3根厚520 mm，宽1 620 mm规格的扁铸锭，在铸造过程中，通过喂丝机向流槽中的铝熔体连续添加Al－3Ti－0.15C晶粒细化剂，添加量为1.8 kg/t铝，将铝熔体温度控制在710～730℃。

图2 扁锭显微组织金相图

铸造出来的扁锭经均匀化热处理后，从距底部400 mm处取横向试样，对同一横断面的扁锭中心部位、扁锭1/4对角线部位和扁锭边部分别截取金相试样，在金相显微镜下进行200倍放大观察其微观组织。

2.3 试验结果

图2为扁锭显微组织金相图，扁锭中心部位晶粒平均尺寸为101 μm，扁锭1/4对角线部位平均晶粒尺寸为85 μm，扁锭边缘部位平均晶粒尺寸为50 μm，铸锭未发现二次晶。

3 分析与讨论

生产试验结果表明，Al－3Ti－0.15C中间合金并没有在含Zr的7050合金晶粒细化处理中发生细化“中毒”现象，晶粒细化效果明显，经过晶粒细化后，铸造出来的大规格扁铸锭组织均匀，晶粒细小。

已有研究证明Al－Ti－C中间合金具有以下优点［5］:生产细化剂时无污染;生产细化剂时不会产生盐类夹杂和其它夹杂物;TiC粒子比TiB2粒子尺寸小得多，而且可以进一步细化至纳米级，因此在某些情况下，Al－Ti－C比Al－Ti－B能达到更好的细化效果。结合生产试验分析结果，7050合金中的Zr对Al－3Ti－0.15C中间合金没有产生“毒化”作用的主要原因是:

1.Al－Ti－B晶粒细化剂中的TiB2粒子易聚集成团，而Al－Ti－C晶粒细化剂中的TiC颗粒要比TiB2细小得多，不易聚集成团，加入熔体后可以充分扩散。Al－Ti－C有效地改善了Al－Ti－B的缺点，降低偏聚倾向，延长了细化衰退时间，并对“中毒”起抑制或免疫作用［6］，因此生产7050合金时在线添加Al－3Ti－0.15C晶粒细化剂取代传统的Al－Ti－B晶粒细化剂，可以取得更好的晶粒细化效果。

2.Zr对晶粒细化剂的“毒化”作用随着熔体温度的提高和Zr含量增加到0.12%时而急剧增加，因此，生产中严格控制熔体温度在730℃以下，将Zr含量控制在0.12%以下，避免了Zr可能对Al－3Ti－0.15C中间合金产生的“毒化”作用。

4 结束语

1.Zr对Al－Ti－B中间合金有严重的“毒化”作用，因此生产7050铝合金不宜使用Al－Ti－B作晶粒细化剂。

2.Al－Ti－C可有效改善Al－Ti－B的缺点，降低偏聚倾向，延长细化衰退时间，并对“中毒”起抑制或免疫作用。

3.生产7050铝合金铸锭时，控制Zr含量小于0.12%，将铝熔体温度控制在730℃以下，使用Al－3Ti－0.15C中间合金细化晶粒不会产生细化“中毒”，可以铸造出组织均匀，晶粒细小的大规格扁铸锭。

［1］ 肖亚庆，谢水生，刘静安，等.铝加工技术实用手册［M］.北京:冶金工业出版社，2004.

［2］ 刘操.AlTiC、AlTiB晶粒细化剂对变形铝合金的细化效果评定［D］.兰州:兰州理工大学，2006.

［3］ 刘相法，边房秀.铝合金组织细化用中间合金［M］.长沙:中南大学出版社，2012.

［4］ 胥福顺，杜吉灿，李全.铝－钛－硼丝晶粒细化效果研究［J］.轻金属，2013，(5):55－57.

［5］ 王淑俊.含Zr铝合金的细化“中毒”现象及其细化新工艺研究［D］.济南:山东大学，2009.

［6］ 任峻，陶钦贵.用于铝合金晶粒细化的中间合金研究［J］.铸造设备研究，2006，(3):51－53.