Mg-30%Gd对Al-5Ti合金中TiAl3粒子尺寸分布影响

尹冬松，赵继涛，张忠凯，韦霞军，安勇良，张春雨，王春阳王振铃，李　州，庞前涛，李青山，陈　睿

（1黑龙江科技大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150022；2.哈尔滨东盛金属材料有限公司，黑龙江哈尔滨150000）

Mg-30%Gd对Al-5Ti合金中TiAl3粒子尺寸分布影响

尹冬松1，赵继涛1，张忠凯2，韦霞军1，安勇良1，张春雨2，王春阳2王振铃1，李州2，庞前涛1，李青山2，陈睿2

（1黑龙江科技大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150022；2.哈尔滨东盛金属材料有限公司，黑龙江哈尔滨150000）

研究了研究了Mg-30%Gd对Al-5Ti中间合金微观结构的影响，实验结果表明：Al-5Ti合金基体上存在大量均匀分布的条状的Al-Ti粒子，添加Mg-30%Gd后，合金中Ti-Al粒子形貌，尺寸及分布发生显著变化，当其添加量为1%时，合金中TiAl3粒子的径向尺寸由20μm降低到5μm～10μm，继续增加添加量至2%时，合金基体上Ti-Al-粒子尺寸变化不大，合金基体上突现大量大尺寸的气孔；采用扫描电镜进行分析，发现Al-5Ti中间合金基体上无夹杂，粒子与Al基体的界面干净，能谱分析结果表明，粒子中Al∶Ti原子比接近3∶1.对比Al-5Ti和添加1%Mg-30%Gd后细化剂的细化效果，发现添加1%Mg-30%Gd后，加入Al-7Si合金后，细化效果显著提高。

A l-5Ti；Mg-30%Gd；微观组织；细化

铝合金质量轻，导电性、导热性及耐蚀性好的优点，在航空、航天、汽车及电子等领域得到了广泛地应用，但铝合金在铸造过程中存在铸态组织粗大的问题，特别是存在大量的柱状晶，造成铝合金力学性能显著降低，并显著降低了铸造铝合金的加工性能。因此，在铝合金铸造与加工过程中，需要采取各种措施对铝合金的凝固组织进行细化，来获得细小和均匀的等轴晶组织。

目前，细化铝合金铸态组织的方法主要是在铝合金熔体中添加少量的中间合金细化剂，常用的细化剂有Al-5Ti、Al-10Ti、Al-5Ti-1B等，主要是利用Ti和B的金属间化合物来细化合金；以往制备的Al-Ti及Al-Ti-B等细化剂是采用氟盐法制备，其基本原理如下：3K2TiF6+13Al→3Al3Ti+3KAlF4+K3TiF6，6KBF4+3K2TiF6+10Al→TiB2+9KAlF4+K3AlF6[1]，但会产生大量的杂质，并且会产生由于TiAl3和TiB2相易聚集沉淀而失去作用；近年来，又开发出多种细化剂，如AlTiC、AlTiCRE、AlTiBe、AlTiSr、AlTiCB等；其中稀土元素能够清除细化剂中杂质并细化其基体上的第二相[2-5]。而稀土元素众多，不同元素的影响也有差异，因此，有必要对稀土元素的影响作系统的研究。在以往研究中发现，Mg元素能够激发稀土元素的细化效果[6]，从而可以考察镁稀土中间合金对Al-5Ti细化剂的微观组织及细化效果，因此，研究中采用在Al-5Ti中添加Mg-30%Gd，研究Mg-30%Gd含量变化对Al-5Ti[Al-5Ti]合金的微观组织和细化效果影响，研究细化剂对A356铝合金的细化效果及Mg-30%Gd的作用，提高其细化效率的途径；稀土资源是我国的优势，如果能够发挥稀土的细化优势，将具有重要意义。

1　实验材料与方法

采用商用Al-5Ti中间合金作为原料，稀土Ce以Mg-30%Gd中间合金形式添加。在真空感应炉中进行新型Al-5Ti-Mg-Gd细化剂的熔配。熔炼过程中，交变电磁场产生的涡流对合金熔体进行搅拌，以确保中间合金成分均匀。浇注前静置5min后，浇入预热至的石墨型模具中。得到的新型细化剂试样，其名义成分为Al-5Ti，Al-5Ti-1（Mg-30%Gd），Al-5Ti-2（Mg-30%Gd）；试验选用Al-7Si铝合金进行晶粒细化处理试验，用砂型浇注铸锭。制取金相试样，并用体积分数为0.5%HF酸进行腐蚀。用蔡司金相显微镜对金相试样进行观察分析，用扫描电镜观察试样并用其附带能谱分析仪对试样中的第二相进行能谱成分分析。

2　实验结果与分析

2.1微观组织

图1a）为Al-5Ti合金的微观组织，可以看出，Al-5Ti合金由灰黑色铝基体和亮白析出相组成，该相呈短棒状，有序排列，其径向尺寸在20μm左右，轴向尺寸波动较大，在200μm以上；添加1% Mg-30%Gd后Al-5Ti合金微观组织如图1b）所示，可以看出，添加1%Mg-30%Gd合金后，Al-5Ti合金基体上析出相尺寸显著降低，轴向尺寸显著降低，最小尺寸在5μm左右，径向尺寸显著降低，在5μm~ 10μm之间波动，图1c）为添加2%Mg-30%Gd后Al-5Ti合金的微观组织，可以看出，与添加1% Mg-30%Gd合金的Al-5Ti相比，合金基体上的析出相尺寸变化不大，图1d）为该合金的低倍（100×）金相组织，可以看出合金基体上分布大量大尺寸孔洞。

图2a）为Al-5Ti-1（Mg-30%Gd）合金的扫描电镜像，可以看出合金基体呈灰暗色，基体上有凸起的条状物和树枝状物，为析出相；图2b）为合金析出相的能谱分析图，可以看出，Al峰较强，并含有大量的Ti峰，表明析出相主要由Al元素和Ti元素组成；表1为EDS对析出相成分分析结果，可知，其中Al质量分数为66.51%，Ti质量分数为33.29%，Al∶Ti接近3∶1.

图1　不同Mg-30%Gd添加量（质量分数）Al-5Ti合金的金相组织

图2　Al-Ti相SEM像和EDS分析

表1　Ti-Al相成分分析

图3为在Al-7Si合金中添加1%Al-5Ti及Al-5Ti-1（Mg-30%Gd）后细化结果金相组织，图3a）Al-7Si中添加1%Al-5Ti的金相组织，可以看出：合金由灰白色的α-Al枝晶和枝晶之间共晶硅组成，图3b）为添加Al-5Ti-1（Mg-30%Gd）细化剂后Al-7Si合金的金相组织，可知与图3a）相比，Al-7Si的二次树枝晶臂尺寸明显降低，Al-5Ti-1（Mg-30% Gd）的细化效果明显要比Al-5Ti显著。

图3　添加不同细化剂后Al-7Si的金相组织

2.2实验结果分析

Al-5Ti作为细化剂主要是Al-5Ti中的Al3Ti的作用，自40年代起，人们就发现钛能够细化铝及其合金的晶粒，从而改善力学性能和加工工艺。其机理如下：Al3Ti与α（Al）之间存在着晶面及晶格常数对应关系，故能够起到细化晶粒作用，Al3Ti与面心立方晶格结构的α（Al）之间有下述对应关系：（001）Al‖（001）Al3Ti，[100]Al‖[100]Al3Ti，（211）Al‖（001）Al3Ti，两者的晶格常数约等于6%，因此Al3Ti能够作为异质形核质点，细化铝合金；发生的反应如下：

该反应为包晶反应，在凝固过程中，α（Al）得到细化。而Al3Ti的尺寸越细小，弥散，铝合金的晶粒尺寸越小[7]。

稀土元素在铝中的固溶度较小，细化剂中的稀土元素Gd与Al、Ti反应而生成了稀土相，但稀土相在熔融铝液中是极不稳定的，很快会被分解[8,9]，Gd原子半径为0.180 2 nm，Al原子半径为0.143 nm，小于Gd的原子半径，当铝合金界面存在缺陷时，很容易就会填补在缺陷处。因此，Gd原子在晶界和相界面吸附偏聚，填补两相界面的缺陷，并最终形成膜层，阻碍第二相颗粒长大。此外，可使合金润湿角增大，从而改善铝液对第二相粒子的润湿性，使得第二相粒子在α-Al基体中容易铺展开，阻碍其长大，使其变得更加细小；在进行细化时,同样量的第二相粒子越细小，所提供的形核质点就越多，同时也不容易沉淀，细化效果就会相应提高[10，11]。

活化元素Mg对第二相也有一定的吸附作用，并能够阻碍第二相的生长，这会对第二相形貌产生一定的影响，提高形核率[6]；因此添加一定量的Mg元素，来进一步提高稀土Gd对Al3Ti的细化作用。另据报道[12]，在Al5Ti细化剂中添加稀土元素可以除气、除渣，净化因氟盐反应而造成的夹杂，也能够增强细化效果。但当Mg-30%Gd含量增加到2%时，由于Mg质量分数过高，引起稀土和镁元素的氧化烧损，对Al3Ti的细化效果并没有明显提高，合金熔体Mg元素增加导致细化剂中氢元素的显著增加，因此增加了合金中的气孔。

3　结论

1）Al-5Ti的组织由α-Al相和Al-Ti粒子组成，Al-Ti粒子呈条状，径向尺寸为20μm~30μm，其中Al∶Ti接近3∶1；

2）在Al-5Ti合金中添加1%Mg-30%Gd后，Al-Ti粒子尺寸显著降低，径向尺寸降低至5μm~ 10μm，轴向上发生断离；

3）对于Al-7Si合金Al-5Ti-1%（Mg-30%Gd）的细化效果明显比Al-5Ti-显著。

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Effects of M g-30%Gd on Dimensions Distribution of TiAl3Particles in Al-5Ti Alloys YIN Dong-song1,ZHAO Ji-tao1,ZHANG Zhong-kai,WEIXia-jun1,ANYong-liang1，ZHANGChun-yu2,

WANG Chun-yang2,WANG Zheng-ling1,LIZhou2，PANGQian-tao1,LIQing-shan2,CHEN Rui2
（1.School ofMaterials Science and Engineering,Heilongjiang University of Science and Technology,Harbin heilongjiang 150022，China；2.Dongsongmetalmaterials CO.LTD.，Haerbin heilongjiang 150000，China）

This paper studied the effects of Mg-30%Gd on the microstructure of Al-5Ti master alloy.Experimental results showed that a large number of strips of Al-Ti alloy particles distributed in thematrix Al-5Ti.Adding Mg-30%Gd,the morphology, size and distribution of Ti-Al alloy particle had a significant change.When added an amount 1wt%,the radial dimension of TiAl3 particles in the alloy droped from 20 microns to 5-10 microns.When increasing the addition amount of 2wt%,TiA l3particle size changed little,but lot of poreed with the large size were found on the alloy matrix.Based on the scanning electron microscope（SEM）,Ti-Al alloy had no inclusion on thematrix.The interface of particles and matrix was clean.EDS analysis showed that the atomic ratio of A l and Ti in particles was close to 3∶1.The refining effect of alloy added 1wt%Mg-30%Gd had a significantly improvementafter joining Al-7Sialloy.

Al-5Ti,Mg-30%Gd，microstructure，refine

TG146

A

1674-6694（2015）04-0022-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.04.010

2015-06-07

尹冬松（1974-），男，黑龙江省庆安县人，工学博士，副教授，主要从事轻合金材料制备及性能研究

黑龙江省应用技术研究与开发计划项目（No. GC13A104）