铝合金晶粒细化技术

创业 2024-12-17 20:31 重庆

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引言：

铝及铝合金由于质轻、比强度高、耐腐蚀、导电、导热性能好等特性，广泛应用于机械、航空航天和汽车等领域。随着铝材在高新技术领域的应用，不断拓宽的应用场景和服役条件对铝材的组织和性能提出了严格的要求，而铝材最佳组织要求其坯料具有细小均匀的等轴晶。晶粒尺寸和形态是铝及其合金组织的最重要特征：由细小均匀等轴晶粒构成的组织整体上呈各向同性，具有高强度、高塑性、高韧性等优良的综合力学性能。以下是几种常见的细化铝合金晶粒的方法及其优缺点：

一

常见的细化铝合金晶粒的方法及其优缺点

添加晶粒细化剂：

用于改善铝合金材料的晶粒尺寸的常见方法，通过向铝合金中引入特定元素或化合物，如钛、硼、锆、铈等，以限制晶粒的生长，从而改善材料的性能。

优点：相对简单且经济，适用范围广，可用于多种铝合金。

缺点：可能引入杂质，需精确控制细化剂添加量，以避免合金过硬化或产生不良影响。

(a)AlSi₁₀Mg和(b)AlSi₁₂Cu合金

细化前后宏观组织

(c)AlSi₁₀Mg和(d)AlSi₁₂Cu合金

添加细化剂2min后合金微观组织

图1合金晶粒细化组织^[1]

快速凝固法：

通过快速冷却合金材料以抑制晶粒生长，即将金属以极高的冷却速度从液相转变为固相，其冷却速度通常在10⁴℃/s以上。在快速凝固的条件下，合金的晶粒尺寸得到明显的减小，显微组织细化效果显著，合金具有较高的固溶度，同时还可以减小偏析，改善其力学性能。目前金属加工行业最广泛应用的快速凝固技术是双辊铸造和喷雾沉积法。双辊带材铸造是一种短工艺技术，将铸造和热轧相结合，直接将液态金属生产成金属带材。喷雾沉积法的基本原理是将液态金属雾化成微小液滴，然后通过惰性气流将这些液滴输送到沉积区域，液滴在沉积区域固化并被基材收集。

图2 Al-21％Si合金的SEM组织形貌^[2]

优点：能够在铸造过程中实现细化，节省能源，改善材料性能，可制备非晶态材料。

缺点：需要特殊设备，材料有限尺寸和形状选择，适用范围有限。

等通道转角挤压：

两个形状相同且横截面积相等的通道构成了等通道转角挤压(ECAP)的模具结构，它们之间按照一定的角度组合在一起，挤压时，材料放入通道一侧，在压力的作用下从另一侧通道挤出，材料在通过两通道的交界处时产生了纯剪切变形，获得足够高的应变，从而细化了晶粒。加工道次越多，应变越大，继而使材料内部转化为超细晶。

优点：能够显著细化晶粒，改善材料均匀性，提高材料的力学性能。

缺点：设备要求高，需要专业技术人员，复杂度较高。

图3 等通道转角挤压示意图^[3]

电磁搅拌铸造：

通过在熔融金属中引入电磁场，可以对熔体产生强制对流。这种对流可以有效地搅动熔体，可以达到减少偏析、疏松以及优化铸造组织的目的，实现均匀混合和减少气孔等缺陷。

优点：电磁场具有明显的晶粒细化效果，且与机械搅拌法相比，不需要搅拌棒。

缺点：设备昂贵，且对参数的控制较严格。

图5 电磁搅拌铸造实验工装^[4]

热机械处理：

通过控制合金的变形和热处理过程，如轧制、挤压、拉伸和退火，来细化晶粒。涉及在高温下对金属或合金进行机械加工和热处理，以改变其微观结构和性能。

优点：显著细化晶粒，可以实现对材料力学性能的精确调节，可定制化程度高，适用于多种金属和合金，适用范围广。

缺点：需要复杂的设备和过程控制，成本较高。

二

实验研究和应用进展

晶粒细化剂细化晶粒

铝合金的晶粒度取决于由α-Al形核和长大组成的凝固过程。在形核阶段，通过加入细化剂，在铝合金熔体中大量引入非均相a-Al形核位点。非均相成核也可以被溶液元素加速，从而诱导结构性过冷。在α-Al晶粒的生长过程中，溶液元素(或不溶性颗粒)可以在晶粒之间聚集，进而限制晶粒的长大。因此，由于高成核率和抑制晶粒生长，晶粒尺寸被细化。细化剂的晶粒细化效果受形核粒子的形态、大小和数量的影响，不同的产品需要不同的细化剂，因此细化剂的组成随着细化剂的发展而变得复杂。铝合金的晶粒细化剂包括Al-Ti、Al-B、Al-Sr、Al-Fe等中间合金。目前应用最广泛的晶粒细化剂是Al-Ti-B中间合金。^[5]

快速凝固细化晶粒

已知形核功随冷却速率的增大而减小，形核速率随形核功的减小而增大。因此，形核速率随着冷却速率的增加而增加，这是快速凝固细化晶粒方法的基本理论。因此，快速凝固可用于制备容易偏析或晶粒粗化的合金。这种方法是Duwez在1960年代发现的：当液态金属以足够的冷却速率冷却时，可以获得非平衡晶体。从那时起，快速凝固被应用于制备不同种类的细晶粒金属材料。目前常见的铝合金快速凝固方法有：双辊铸造(TRC)、喷射沉积法(SD)、振动冷却斜坡工艺(VCS)。辊带材铸造在铝合金中的应用是成功的，但效率较低。喷雾沉积可以将金属晶粒尺寸细化到纳米级，还可以细化和球化针状的硬相，避免成分偏析，但其制备的材料通常是多孔的。

强塑性变形细化晶粒

热机械加工中的塑性变形是控制晶粒尺寸的有效方法。现在有多种技术可用于产生所需的高应变：等通道转角挤压（ECAP）、高压扭转（HPT）、累积轧制焊接（ARB）、循环挤压压缩（CEC）、搅拌摩擦焊（FSW）、累积连续挤压成形（ACEF）、多向锻造（MDF）、重复波纹矫直（RCS）、麻花挤压（TE）、管材循环挤压（TCEC）等。在这些方法中，等通道转角挤压、高压扭转、累积轧制焊接、循环挤压压缩和搅拌摩擦焊被广泛研究，而累积连续挤压成形是一种相对较新的强塑性变形方法。等通道转角挤压工艺存在模具使用寿命短、工艺复杂等缺点，因此等通道转角挤压的广泛应用受到限制。目前大多数强塑性变形方法都存在效率低、成本高的缺点，因此，开发高效、低成本、高良率的强塑性变形工艺对工业应用具有重要意义。

振动和搅拌细化晶粒

凝固过程中的搅拌和振动被广泛用于铝的晶粒细化。搅拌的方法主要包括机械搅拌、电磁搅拌和气泡搅拌。振动的方法主要包括机械振动和超声振动。针对不同的技术，目前有几种不同的理论解释搅拌和振动过程中晶粒细化的机理，包括树枝状臂剪切断裂机理、枝晶臂塑性弯曲诱导的晶界液体渗透机理等。超声振动细化晶粒的机理主要基于两种现象：超声振动引起的空化和声流，空化是熔体中气泡的形成、膨胀和破裂过程，空化和声流有利于熔体的脱气和均质化，可以细化晶粒尺寸，进而使纳米颗粒在熔体中的分布均匀化。

三

结语

选择哪种合适的晶粒细化方法取决于材料类型、应用需求、可用资源和成本因素。不同的方法可能会以不同的方式影响材料的性能和微观结构，因此需要深入研究来确定最佳的方法。环境友好、高效、低成本、高性能是所有铝晶粒细化技术的发展目标。

参考文献：

[1]马韬,马鸿彬,蒋斌等.半连续铸造亚共晶Al-Si合金的晶粒细化研究进展[J].有色金属加工,2023,52(05):30-39+48.

[2]郭林龙. 快速凝固法制备Al-P合金技术研发[D].辽宁工业大学,2021.DOI:10.27211/d.cnki.glngc.2020.000120.

[3]张苏鹏,王军丽,章震威等.等通道转角挤压制备超细晶材料的最新研究进展[J].材料热处理学报,2020,41(03):1-14.DOI:10.13289/j.issn.1009-6264.2019-0377.

[4]孙自鹏,汪永红,张欢欢.电磁搅拌铸造技术在大规格圆锭上的应用[J].铝加工,2022(04):56-59.

[5] Guan R ,Tie D .A Review on Grain Refinement of Aluminum Alloys: Progresses,Challenges and Prospects[J].Acta Metallurgica Sinica(English Letters),2017,30(05):409-432.

END

文案 | 陈兴博

排版 | 杨欢欢

校核 | 张龙

审核 | 龚海

责任编辑 | 李毅波

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