钛锆复合作用下纯铝晶粒形核机制及细化衰退行为研究

The results of oversea and domestic researches have indicated that the refining effect of inoculants Ti and Zr on the microstructure of Al and Al alloy is incompatible, and the refinement in microstructure of aluminum alloy will be deteriorated with the addition of inoculants Ti and Zr. However, the applicant confirms by the experiments that the microstructure refinement and mechanical properties improvement of pure aluminum are benefited from the additions of inoculants Ti and Zr, the inhibition effect on grain refinement decline is more significant, while the understanding about the grain nucleation mechanism is still limited. Therefore, in this project, the compatibility of inoculants Ti and Zr in the microstructure refinement for aluminum alloy will be investigated, and study the effect of the compound of inoculants Ti and Zr on microstructure and mechanical properties for aluminum alloy. By changing the concentration of inoculants Ti and Zr, analyze the effect of the concentration of inoculants compound on the microstructure, element distribution, mechanical properties of pure aluminum, and further study the morphology, size, distribution, lattice structure and constant of heterogeneous nuclei. Combining with the inoculants compound on the microstructure, microstructure and mechanical properties for Al-Cu alloy, Al-Si alloy and Al-Mg alloy, reveal the effect of inoculants Ti and Zr on the microstructure refinement mechanism of pure aluminum, enrich and develop the microstructure refinement theory of Al and Al alloy. The research in the project will provide theoretical guidance for the development for high mechanical property of aluminum alloy, enlarge the application of aluminum alloy structures, and provide a new approach of microstructure refinement for aluminum alloy.

国内外研究表明铝及铝合金中孕育剂Ti和Zr的细化作用不相容，两者同时添加会恶化晶粒细化效果,而申请者通过试验发现孕育剂Ti和Zr复合作用更有利于细化纯铝晶粒组织、提高纯铝力学性能，且对晶粒细化衰退的抑制作用更加显著，但晶粒形核机制尚不清楚。因此本项目针对铝及铝合金中复合孕育剂Ti和Zr细化作用相容性问题展开研究，通过向纯铝中添加不同含量的Ti和Zr，分析复合孕育剂对纯铝微观组织、元素分布、力学性能的影响规律，深入研究Ti和Zr含量不同时非均质形核核心的形态、分布以及其晶体结构和晶格常数，结合铸锭中各种形核反应发生的温度以及复合孕育剂对铝铜、铝镁、铝硅合金组织和性能的影响规律，揭示纯铝中Ti和Zr复合作用下纯铝晶粒形核机制，丰富和发展铝及铝合金晶粒细化理论。项目的研究为高性能铝合金的成分设计提供理论指导、扩大铝合金结构件的应用范围，同时也为铝合金组织细化提供一条新途径。

Ti或Zr是铝及铝合金中最常用的孕育剂，然而国内外研究表明铝及铝合金中Zr与Ti的细化作用不相容，但申请者通过总结大量文献发现它的基础还不够坚实——不仅不相容的原因存在分歧，其试验支持的证据也还不够充分。项目针对铝及铝合金中孕育剂Ti和Zr的细化作用相容性问题开展研究，分析了纯铝中Ti和Zr复合作用下的α(Al)形核机制及其抗晶粒细化衰退性能，研究成果有助于降低铝合金孕育剂生产成本，为高性能铝合金研制提供一条新的思路，推动铝合金在工业领域更广泛的应用。.不添加任何孕育剂时纯铝晶粒粗大，抗抗晶粒细化衰退性能差，单独添加孕育剂Ti或Zr，抗晶粒细化衰退性能有所改善，复合添加Ti和Zr孕育剂抗晶粒细化衰退性能优于单独添加Ti或Zr。当纯铝中复合添加0.3%Zr和0.5%Ti，在长达110min保温时间内，对合金仍具有良好的细化效果，且重熔1次，合金抗拉强度平均下降1.03MPa。.在Al-4Mg合金中复合添加0.3%Ti-0.3%Zr孕育剂，铝镁合金四次重熔后仍具有良好的细化效果，合金组织细小。Cu元素对Ti和Zr复合添加后的合金晶粒细化效果具有减弱作用，而对合金的强度有较明显的增强，复合添加Ti和Zr的Al-Cu合金抗晶粒细化衰退性能优于单独添加的晶粒细化效果。.复合添加Ti和Zr时铝熔体形核过冷度和最大过冷度最小，晶粒组织最为细小，纯铝力学性能最高，单独添加Ti铝熔体形核过冷度和最大过冷度次之，单独添加Zr的铝熔体形核过冷度和最大过冷度最大，晶粒较为粗大。.铝及铝合金中添加少量的Ti和Zr时，Ti、Zr在熔池中分别形成Al3Ti和Al3Zr。当纯铝中Ti和Zr含量较高时，不仅形成Al3Ti和Al3Zr形核质点，同时Ti和Zr在熔池中还形成少量的Al3 (Ti，Zr)相，Al3 (Ti，Zr)有两种存在形式，可能是Al3Zr相外面包裹着Al3Ti相的双重粒子，即高温的条件下Al3Ti依附在Al3Zr表面上并形成一层Al3Ti层。Ti和Zr在高温下也可与Al反应形成Al3 (Ti，Zr)化合物，该化合物为具有规则几何外形的灰黑色粒子，衍射花斑表明其为四方晶格，晶带轴为[001]，晶格常数分别为a=b=0.3980nm，c=1.7210nm。