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摘要：本文用99.99%的工业纯铝、铝钛中间合金（Al10Ti）和铝锆中间合金（Al10Zr）作为材料，通过铸锭冶金法制备Ti、Zr含量不同的纯铝试样，通过组织观察以及纯铝的拉伸性能测试，探究在Ti、Zr单独作用和复合作用下对纯铝抗晶粒细化衰退性能的影响。结果表明，随着Ti，Zr含量的增加，铝合金显微组织逐渐被细化，强度和硬度也有所提高。在重熔后随重熔次数增加，铝合金组织发生了粗化，强度和硬度也有所降低。经对比实验证明，当复合添加0.5%Ti、0.3%Zr时经过多次重熔后仍可以发挥较好的细化作用，获得非常均匀的晶粒。
关键词：重熔；微观组织；纯铝；抗晶粒细化
引言
铝及铝合金具有密度小、比强度高、导电导热性能好、耐腐蚀性强等优点，在现代工业中运用十分广泛。虽然铝及大多数铝合金都具有如上优点，但是铝合金铸件的强度较低，综合力学性能不能很好地满足现代工业的需要，如何有效地强化铝及铝合金的性能就成为合金技术研究的一个重要方向。
1.研究目的
铝及铝合金的性能优劣取决于其晶粒尺寸和形态特征，在铸造过程中通过细化晶粒组织从而提高铝及铝合金性能，是充分的发挥其性能的最有效的途径之一。而实际工业生产往往有所限制，考虑到控制冷却速度，工艺要求，以及生产条件等因素，添加晶粒细化剂是最简捷有效的方法。
Ti或Zr都是常用的纯铝晶粒细化剂。添加微量Ti元素时，Ti在铝中的细化机制与其含量有关，主要机理是阻碍晶粒长大。虽然Ti对铝有一定的细化效果，但工艺复杂，且利用和回收率低，同时Al3Ti的细化效果不稳定，所以效果并不理想。添加微量Zr元素时，纯铝凝固发生包晶反应，析出Al3Zr粒子，Al3Zr可以充当a-Al的异质形核核心，有效地促进了晶粒细化。但Al3Zr粒子的细化效果比起Al3Ti粒子更不稳定，细化衰退也很严重。
由上可知，Ti、Zr对纯铝有一定的细化作用，但二者单独作用对纯铝的抗晶粒细化衰退性能都没有太大改善。故本文通过向纯铝（铝含量为99.99%）中添加微量的Zr、Ti元素，研究并对比了Zr、Ti复合添加对纯铝的组织和性能的影响。
2.实验方案
2.1合金的宏观组织及微观组织观察
本文分别设计了5组不同含量的Ti、Zr细化剂，添加在纯铝铝液中分别熔炼。将重熔后的试样标好号码后进行线切割，试样镶嵌好后，再经粗磨、细磨、抛光，用5%的HF水溶液腐蚀1min。用金相显微镜观察试样的微观组织，观察铸态合金晶粒大小、形貌，并用截线法测量晶粒的平均尺寸。记录好试样的微观组织图像后，测量晶粒平均尺寸，最后测试试样的拉伸性能，对比和分析Ti、Zr细化剂的抗晶粒细化衰退的性能。
表1Ti、Zr抗晶粒细化衰退性能试验方案表（wt.%）
2.2力学性能拉伸试验
用w9w-50型电子万能试验机进行拉伸试验，拉伸速度为2mm/min。每组纯铝试样各取三根，取其抗拉强度及延伸率的平均值作为该成分下试样的抗拉强度及塑性指标。
图1拉伸试样尺寸
3.实验结果
3.1不同含量下微观组织研究
本试验为了统一标准，拍摄的微观图片都取自心部组织，同时认为当纯铝的晶粒尺寸超过300μm时，晶粒过于粗大，此时纯铝的抗晶粒细化衰退性能变得较差。
图2.1是单独添加0.3%Zr细化剂时，不同熔炼次数下的纯铝微观观组织，熔炼1次时的组织晶粒已经有397μm，晶粒过于粗大，此时纯铝的抗晶粒细化衰退性能变差，随着重熔次数的增加，晶粒继续粗化，熔炼3次时的纯铝平均晶粒尺寸大大增加，成长为572μm，到了第5次熔炼时，在现有放大倍数下已经看不清微观晶粒的完整轮廓。可以看出单独纯铝添加0.3%Zr时的抗晶粒细化衰退性能很差。
（a）熔炼1次（b）熔炼3次（c）熔炼5次
图2.1w（Zr）=0.3%的试样微观组织
图2.2是单独添加0.3%Ti细化剂时的纯铝微观组织，其熔炼1、3、5次时的纯铝平均晶粒尺寸分别为168μm、325μm、373μm，晶粒长大趋势较为缓慢，到熔炼次数为3次时晶粒尺寸过于粗大，此时纯铝的抗晶粒细化衰退性能变差，可见单独添加0.3%Ti时的抗晶粒细化衰退性能较单独添加0.3%Zr时有了明显的改善。
（a）熔炼1次（b）熔炼3次（c）熔炼5次
图2.2w（Ti）=0.3%的试样微观组织
图2.3是复合添加0.15%Ti、0.15%Zr细化剂时的微观组织，熔炼1次时，纯铝的平均晶粒尺寸为214μm；熔炼3次时的纯铝平均晶粒尺寸依次为452μm，到熔炼5次时晶粒长大非常严重，已经观察不到完整的晶粒轮廓。晶粒的长大趋势比添加0.3%Ti时要快，比添加0.3%Zr时要缓慢，可见，复合添加0.15%Ti、0.15%Zr时纯铝的抗晶粒细化衰退性能介于上面两者之间。
（a）熔炼1次（b）熔炼3次（c）熔炼5次
图2.3w（Ti）=0.15%、w（Zr）=0.15%的试样微观组织
图2.4是复合添加0.3%Ti、0.3%Zr细化剂时的微观组织，图中不同熔炼次数的纯铝平均晶粒大小依次为95μm、238μm、318μm，重熔3次前的晶粒尺寸都比较小，熔炼次数为5次时晶粒尺寸过于粗大，此时纯铝的抗晶粒细化衰退性能变差。可见，复合添加0.3%Ti、0.3%Zr时纯铝的抗晶粒细化衰退性能比前者都要优异。
（a）熔炼1次（b）熔炼3次（c）熔炼5次
图2.4w（Ti）=0.3%、w（Zr）=0.3%的试样微观组织
图2.5是复合添加0.5%Ti、0.3%Zr细化剂时的微观组织。其熔炼1、3、5次时的纯铝平均晶粒尺寸分别为71μm、143μm、246μm，纯铝晶粒尺寸虽有一定程度的长大，但长大趋势很慢，到熔炼次数为3次时晶粒过于粗大，此时纯铝的抗晶粒细化衰退性能变差，并且在相同熔炼次数下，晶粒尺寸比复合添加0.3%Ti、0.3%Zr时的晶粒尺寸更小。可见复合添加0.5%Ti、0.3%Zr时的纯铝具有最好的抗晶粒细化衰退性能。
（a）熔炼1次（b）熔炼3次（c）熔炼5次
图2.5w（Ti）=0.3%、w（Zr）=0.3%的试样微观组织
由上可见，在不同成分Ti、Zr配比中，添加0.5%Ti、0.3%Zr时纯铝的抗晶粒细化衰退性能最好，添加0.3%Zr时纯铝的抗晶粒细化衰退性能最差，添加0.15%Ti、0.15%Zr的性能位于添加0.3%Ti和添加0.3%Ti、0.3%Zr之间。添加0.15%Ti、0.15%Zr和添加0.3%Zr时晶粒长势较快，其他三种配比下晶粒长大趋势都比较缓慢。
熔炼次数为1次时，复合添加0.3%Ti、0.3%Zr和复合添加0.5%Ti、0.3%Zr细化剂的细化效果较理想，晶粒尺寸小于100μm，复合添加0.15%Ti、0.15%Zr和单独添加0.3%Ti细化剂时晶粒尺寸长大较轻微，单独添加0.3%Zr细化剂时晶粒尺寸过于粗大，已经有397μm；熔炼次数为3次时，复合添加0.5%Ti、0.3%Zr细化剂时，晶粒尺寸还是小于100μm，复合添加0.3%Ti、0.3%Zr和单独添加0.3%Ti时晶粒尺寸分别成长为238μm、262μm，长大不严重，单独添加0.3%Zr和复合添加0.15%Ti、0.15%Zr时晶粒过于粗大；熔炼次数为3、5次时，复合添加0.3%Ti、0.3%Zr和复合添加0.5%Ti、0.3%Zr细化剂时的晶粒尺寸都没有超过300μm，而在其它三种Ti、Zr含量下，晶粒都已过于粗大；熔炼次数为5次时，晶粒长大都比较严重，特别是单独添加0.3%Zr、复合添加0.15%Ti、0.15%Zr和单独添加0.3%Ti时，已经观察不到完整的晶粒轮廓。
3.2纯铝拉伸性能测试与分析
表2罗列了添加不同含量Ti、Zr的纯铝在多次重熔后的抗拉强度和延伸率变化情况。
表2纯铝在多次重熔后的抗拉强度和延伸率
由表可见，随着熔炼次数的增加，纯铝的抗拉强度和延伸率都在下降，不添加任何细化剂且熔炼次数为1次时，每次熔炼，抗拉强度平均下降4.7MPa，与单独添加0.3%Zr时纯铝晶粒严重长大相吻合，纯铝力学性能的大幅下降说明单独添0.3%Zr时纯铝的抗晶粒细化衰退性能很差；单独添加0.3%Ti，每次熔炼，抗拉强度平均下降3.6MPa，下降幅度比单独添加0.3%Zr时要小，与单独添加0.3%Ti时晶粒长势缓慢相吻合，说明比起单独添加0.3%Zr，单独添加0.3%Ti时纯铝的抗晶粒细化衰退性能更好；复合添加0.15%Ti、0.15%Zr，每次熔炼，抗拉强度平均下降2.4MPa，与组织变化规律存在一定的试验误差；复合添加0.3%Ti、0.3%Zr，每次熔炼，抗拉强度平均下降1.41MPa，与晶粒长势缓慢相吻合，说明复合添加0.3%Ti、0.3%Zr时纯铝的抗晶粒细化衰退性能优于单独添加0.3%Ti时纯铝的抗晶粒细化衰退性能；复合添加0.5%Ti、0.3%Zr时，每次熔炼，抗拉强度平均下降5.1MPa，与组织变化规律存在一定的试验误差。
根据Hall-petch公式，晶粒尺寸越小，其拉伸性能越好，试验结果与该公式相吻合。复合添加0.5%Ti、0.3%Zr时，晶粒组织最为细小，纯铝力学性能最高，说明在该成分下纯铝的抗晶粒细化衰退性能最好。
4.结论
（1）在相同成分时，随着熔炼次数的增加，纯铝组织粗化，拉伸性能变差。
（2）在相同熔炼次数时，从单独添加0.3%Zr、复合添加0.15%Ti、0.15%Zr、单独添加0.3%Ti、复合添加0.3%Ti、0.3%Zr到复合添加0.5%Ti、0.3%Zr，纯铝组织逐渐细化，拉伸性能逐渐变好。
（3）单独添加0.3%Ti时纯铝的抗晶粒细化衰退性能优于单独添加0.3%Zr，复合添加0.15%Ti、0.15%Zr时纯铝的抗晶粒细化衰退性能介于两者之间，随着Ti、Zr含量的继续增加，当Ti、Zr含量分别为0.3%、0.3%时，纯铝抗晶粒细化衰退性能进一步改善，到0.5%Ti、0.3%Zr时纯铝的抗晶粒细化衰退性能达到最好。
参考文献：
[1]杜平.微量元素对纯铝晶粒细化作用的研究[D].长沙：中南大学，2009.
[2]TVAtamanenko，DGEskin，MSluiter，etal.OnthemechanismofgrainrefinementinAl–Zr–Tialloys[J].JournalofAlloys&Compounds，2011，509（1）：57-60.
[3]肖政兵，邓运来，唐建国，等.Al-Ti-C与Al-Ti-B晶粒细化剂的Zr中毒机理[J].中国有色金属学报，2012，22（2）：371-378.
[4]贾义旺，疏达.Al-Ti-B细化含Zr铝合金中毒现象的研究进展[J].轻合金加工技术，2017，45（8）：20-25.
[5]方三明，杨成刚，余爱武，等.SC、Ti、Zr复合微合金化对纯铝组织和力学性能的影响[J].热加工工艺，2015，（10）：87-89.