AI-Ti-B细化效果分析

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目前AI-Ti-B细化剂主要分为两种，一种为Ti、B原子比大于2.2，用于细化变形铝合金，主要有Al-5Ti-lB，Al-3T-lB；另一种为Ti、 B原子比小于2.2，用于细化铸造铝合金，主要有Al-3Ti-3B、AI-3Ti-4。下面分别予以介绍。

1、AI-5Ti-1B 中间合金(Ti、B原子比大于2.2)

该类细化剂主要用于细化变形铝合金，以在线追补播种的方式添加。

①AI-Ti-B中TiAl3粒子的作用

Edge to edge 模型计算表明，AI-Ti-B中TiAl3粒子与ɑ-Al具有很好的共格性，共格面有<ll0>AI//<20l>TiAl3、<ll0>Al//<ll0>TiAl3、<l00>Al/<l00>TiAl3，并且错配度极低，是很好的异质形核核心，但是由于其不稳定，添加到铝熔体中会发生部分溶解，从而失去部分细化作用。

②AI-Ti-B中TiB2粒子的作用

通过计算TiB2与α-Al的错配度，发现TiB2与α-Al不具有很好的共格性，只有两对共格面，即<ll0>AI/<ll20)TiB2、<ll0>Al//<l0l0>TiB2。Al-5Ti-lB与AI-Ti细化剂相比，只是增加了B元素。

为了研究硼化物的影响，PS Mohanty向Al中单独添加TiB2颗粒，发现TiB2粒子不能起到异质形核作用，而是被推到晶界处，失去细化作用，如图1所示，只有添加少量的Ti，TiB2粒子才能够细化晶粒，由此提出了Al-5Ti-1B细化纯Al的细化机理，即所谓的双形核理论。

③两种粒子的相互作用

Al-5Ti-1B细化剂添加到铝熔体中，由于TiB2熔点很高不会发生溶解，TiAl3熔点低，大约为910℃，会部分发生溶解。Ti的偏析系数较大，易偏析，Ti在TiB2粒子表面偏聚，形成一层TiAl3薄膜，进而发生长大，以此细化晶粒。如图1所示。

④两种粒子的细化机理--双形核理论

当Ti的浓度达到0.15%时，在665℃发生包晶反应，生成了α-Al，细化晶粒。 Jones通过计算Ti在Al中与在TiB2中的化学势，证明了Ti易在TiB2表面偏聚。山东大学刘相法也在实验中发现TiB2粒子表面存在一层TiAl3薄膜。理论和实验都支持了双形核理论，但该理论尚未成熟。Sigworth指出Ti偏聚到TiB界面上形成的TiAl3是否能稳定存在，有待于证实。大型产业化生产中，细化晶粒常常会有失败的现象，原因可能就在于此。




图1 Al99.70中添加ATB丝的表现形式
2、AI-3Ti-3B中间合金(Ti、B原子比小于2.2)

该类细化剂主要用于细化铸造铝合金，以炉内添加的方式予以添加。主要目的是细化铸造铝合金中的共晶硅。但是，该类细化剂不能有效细化Al99.70（纯铝）。

①AI-Si合金中异质粒子的特性。

对于AI-Si合金，由于Si含量很高，PS Mohanty等在实验中观察到Ti(All-xSix)3，认为Si具有吸附性，吸附在TiAl3粒子表面，形成稳定的三元相。有以下几层含义：

第一，在很低的Ti含量下，也能形成稳定的Ti(All-xSix)3，在相同的Ti含量下，异质形核核心数量会增加。

第二，异质粒子的本性决定了包晶反应过程，即使Ti含量很高，由于缺少合适的异质基体，AI-Ti也不可能发生包晶反应。

第三，形成的Ti(All-xSix)3粒子虽然与TiAl3粒子结构相似，但是并不能成为包晶反应的形核核心，包晶反应不易进行，影响了细化效果。Al-5Ti-1B不能够很好地细化AI-Si合金也可能是因为Si的含量很高，降低了AI-Ti包晶反应温度范围，包晶反应进行得不够充分。

第四，虽然细化效果不明显，但是对共晶硅的形貌具有改善作用。Sumanth Shankar等提到，共晶Si可以在熔体中的第二相(AlFe-Si、TiB2、TiAl3等)上面形核，从而改善共晶Si的形貌，细化共晶Si。

②AI-Si合金的细化剂：AI-3Ti-3B中间合金

Al-5Ti-1B不能很好地细化AI-Si合金，科研工作者开发出了 Al-3Ti-3B细化剂。AI-5Ti-1B细化AI-Si的效果并不是很好，与Al-5Ti-1B相比，AI-3Ti-3B中存在过量的B，说明B对AI-Si合金细化效果产生了重要影响。

③AI-3Ti-3B中间合金细化AI-Si合金的机理

PS Mohanty发现当添加AI-3Ti-3B到AI-Si合金中时，TiB2稳定存在，过量的B会在TiB2界面处偏聚，进而继续长大形成AlB2。AlB2可以在TiB2上长大。随着温度的降低，富硼层将会在AI-Si合金的液相线温度以上发生共晶反应，形成α-Al和AlB2。先形成的α-Al由于温度较高不易长大，细化晶粒，这是Al-3Ti-3B能够很好地细化AI-Si合金的根本原因。

④(Al，Ti)B2不能很好地对纯铝（Al99.70）进行细化

JA Marcantonio研究表明，(Al，Ti)B2与Al的错配面较少，错配度较大，也就说明(Al，Ti)B2不能很好地细化纯铝。AJ Cornish的实验表明，Al-3Ti-3B不能细化纯铝，因为铝的熔点为660℃，共晶反应温度为659℃，共晶反应温度在Al的熔点以下，共晶反应未来得及发生，铝已经开始凝固，B的共晶细化作用消失。这就是Al-5Ti-1B细化1xxx系列铝合金圆铸锭低倍组织不能达标的原因。（图2为细化失败的Al99.70组织）


图2 细化晶粒失败的组织（羽毛晶）