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新型快速凝固Al-Ti-B-Sc铝合金晶粒细化剂

一、项目简介铝合金因重量轻、资源丰富、综合性能好，所以在机械、交通运输、航天与军事工业等高新技术领域中的应用逐年增加。生产高质量的铝合金，控制铸锭组织是十分必要的，而控制其组织和性能的关键之一是获得细小均匀的等轴晶。晶粒细化是近期国际上对传统材料升级和创造新型合金的三大工艺手段之一。因此，可以运用细化晶粒的方法来提高合金的性能，从而满足不断发展的技术对高性能材料的需要。晶粒细化方法可分为内生形核质点法和外来形核质点法，内生形核法主要包括电磁作用、超声波振动、快速凝固等方法，而外来形核质点法是通过向吕溶液中加入中间合金细化剂，产生异质形核核心，提高晶体的形核率，从而细化晶粒。在实际生产中，内生形核的几种方法都有一定的局限性，如需要特殊的设备和工艺，成本较高等，因此，目前向铝合金熔液中添加细化剂仍是细化晶粒最简单有效的方法。目前，应用较为广泛的铝合金细化剂包括Al-Ti-B、Al-Ti-C等中间合金细化剂。Al-Ti-B的细化机理是Al-Ti-B加入到铝合金熔液中，会与铝熔体中的铝反应生成Al3Ti、TiB2、AlB2等粒子，它们分散到整个合金熔液中并形核，从而起到晶粒细化作用。随着铝合金晶粒细化剂的多元化发展，人们通过向合金中加入稀土元素来提高细化效果和细化的长效性。稀土元素是表面活性物质，易在铝或铝熔液的晶界和相面上吸附偏聚，稀土的加入不仅能够改善Al3Ti形核相的形态和分布，还能细化熔液中微粒尺寸，同时稀土还具有除氢、净化铝液的作用。钪是一种稀土元素，Sc元素是优化铝合金组织和性能的最有效的元素，Sc对Al有很强的弥散强化、晶粒细化作用，并可有效抑制Al的再结晶。Sc和Al相互作用的主要特征是共晶共格，Sc和Al生成的Al3Sc相与Al基体母相共格，对位错及亚晶有极大的钉扎作用，阻止和抑制晶粒长大，促进晶粒细化，微量的钪元素就能够对铝合金起到很好的晶粒细化效果。近年来，快速凝固技术在工业中得到了广泛的应用，经过快速凝固处理后，金属在液态中的溶解度得到扩大，材料各部位的组织更加紧密，凝固结晶会更加细小，晶粒的分布更加均匀，这些结构上的改变使材料拥有了更高的综合性能，对工业生产具有重要的意义。本项目中的新型细化剂是在已有应用成熟的细化剂的基础上，向其中添加微量稀土钪元素，并结合快速凝固技术制备而成。将该新型细化剂加入到A356.2铝合金后，合金微观组织由原来粗大的树枝状晶粒变为细小的等轴晶，与已有的细化剂相比，其细化效果更加明显，对合金力学性能有更大的提高。二、项目技术成熟程度已完成实验工作。实验中，对比了A356.2铝合金分别加入传统铸态Al-Ti-B、快速凝固Al-Ti-B、铸态Al-Ti-B-Sc和快速凝固Al-Ti-B-Sc，结果发现，快速凝固Al-Ti-B-Sc中间合金对A356.2铝合金具有最好的细化效果，微量稀土元素Sc的加入和快速凝固技术的使用使细化剂具有了更好的细化效果，经过该细化剂细化后铝合金的力学性能会得到更大的提高。三、技术指标本项目中，未细化前，A356.2 铝合金的平均晶粒尺寸为120μm左右；加入传统Al-Ti-B细化剂后，A356.2铝合金的平均晶粒尺寸会细化至80μm左右；而加入该新型细化剂后铝合金的细化剂会细化至30μm左右，可见，该新型细化剂对A356.2铝合金细化效果非常明显。经过该细化剂细化后，A356.2铝合金的性能也有一系列的提高，硬度值由细化前的80HV增加到接近100HV。细化并热处理后，抗拉强度由原来的300MPa增加到接近370MPa，延伸率由原来的4.5%可增加到5%以上。该项目中的相关内容已申报发明专利，申请号为20130644087.1，专利正在受理过程中。四、市场前景铝合金资源丰富，且具有良好的综合性能，所以应用非常广泛，向熔融铝合金中加入中间合金来细化铝合金的晶粒可以进一步提高合金的性能。随着铝合金应用的进一步广泛，对铝合金性能的要求也越来越高，该项目所涉及的内容在细化铝合金内部组织，获得性能更优异铝合金具有非常突出的效果。该项目中的新型细化剂，在低压铸造铝合金车轮的生产过程中将会有很好的市场前景，其对铝合金车轮性能的提高能够满足更高的使用要求，随着技术的不断成熟，该新型细化剂很可能取代现在已有的应用成熟的铝合金细化剂。五、规模与投资需求六、生产设备TECNO 90工业熔炼炉、快速凝固设备等生产设备及万能拉伸试验机、金属分析仪、金相显微镜等检测观察设备。七、效益分析由于该项技术属本领域的新技术，较已有的技术相比有突出的优势，按每年生产1000吨计算，可获利约2000万。八、合作方式面谈。九、项目具体联系人及联系方式项目负责人：赵维民，电话：13370316780，邮箱：wmzhao@hebut.edu.cn 。十、附件：成果图片 A356.2铝合金细化前后的金相组织

河北工业大学 2021-04-11