CN116815023A - TSBC-Al晶种合金、其制备方法和Al-Si系合金 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种TSBC‑Al晶种合金、其制备方法和Al‑Si系合金。所述TSBC‑Al晶种合金包括Al基体、分布于Al基体上的掺杂型TiBC粒子和Al4Sr相，所述掺杂型TiBC粒子是指Si和Sr中的至少一种掺杂在包括Ti、B和C的TiBC粒子中。根据本发明，TSBC‑Al晶种合金能够克服Al‑Si系多元合金细化或变质“中毒”难题，同步细化α‑Al和变质共晶Si，从而提高Al‑Si系合金的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料领域，具体涉及一种TSBC-Al晶种合金、其制备方法和Al-Si系合金。
背景技术
亚共晶和近共晶Al-Si系合金以其优异的比强度和良好的铸造性能，成为应用最为广泛的铸造铝合金。然而，其最主要的组成相α-Al及共晶Si均存在限制合金综合性能提升的难题。
一方面，α-Al枝晶发达、粗大，引发偏析、缩松(孔)、雪花斑等铸造缺陷，导致合金塑韧性和加工性能差、废(次)品率高，而Si元素导致常规细化剂如Al-Ti-B等发生细化“中毒”。另外，Si含量越高，Si“中毒”现象越明显，使得Al-Si合金的基体晶粒细化成为行业棘手难题。
另一方面，共晶Si往往呈现粗大板块状，在服役过程中，应力集中会在共晶Si的尖角处形成，严重割裂基体，发生界面脱粘或自身断裂，最终导致合金开裂及失效破坏。因此，必须对共晶Si进行变质处理，使其变为细小纤维状、珊瑚状等等，以降低服役过程中的应力集中以及对基体的割裂影响。此外，Al-Si系合金成分或体系较复杂，往往含有Ti、Zr、V、Cr等微量元素，与添加入合金的细化剂或变质剂发生“中毒”反应，进一步阻碍了合金的组织改善与性能提升。
发明内容
本发明提供一种TSBC-Al晶种合金、其制备方法和Al-Si系合金，所述TSBC-Al晶种合金能够克服Al-Si系多元合金细化或变质“中毒”难题，同步细化α-Al和变质共晶Si，从而提高Al-Si系合金的综合性能。
根据本发明的一方面，提供一种TSBC-Al晶种合金，所述TSBC-Al晶种合金包括Al基体、分布于Al基体上的掺杂型TiBC粒子和Al4Sr相，所述掺杂型TiBC粒子是指Si和Sr中的至少一种掺杂在包括Ti、B和C的TiBC粒子中。
可选地，所述掺杂型TiBC粒子包括掺杂有Sr的TiBC粒子、掺杂有Si的TiBC粒子和同时掺杂有Sr和Si的TiBC粒子。
可选地，基于100wt％的所述TSBC-Al晶种合金，所述掺杂型TiBC粒子的含量小于或等于12.0wt％，Al4Sr相的含量小于或等于7.25wt％。
可选地，所述掺杂型TiBC粒子中的Sr的掺杂量小于等于所述TiBC粒子的15wt％，所述掺杂型TiBC粒子中的Si的掺杂量小于等于所述TiBC粒子的10wt％。
可选地，所述掺杂型TiBC粒子和Al4Sr相均为原位自生。
可选地，所述掺杂型TiBC粒子大体呈球形，尺寸在100nm-2μm之间。Al4Sr相为共晶相，呈细薄片形。
根据本发明的另一方面，提供一种TSBC-Al晶种合金的制备方法，所述制备方法包括：向第一熔炼炉中加入Al，加热熔化后向熔体中加入Ti，并加入Sr和Si中的至少一种，形成第一合金熔体；向第二熔炼炉中加入Al和Al-Al3BC合金，形成第二合金熔体；将所述第一合金熔体和所述第二合金熔体混合在一起，控制熔体温度在730℃-850℃范围内，保温5min-30min，形成第三合金熔体；向所述第三合金熔体中添加包括Al4Sr相的Al-Sr合金形成第四合金熔体；浇注所述第四合金熔体形成所述TSBC-Al晶种合金。
可选地，在向所述第三合金熔体中添加Al-Sr合金后，在730℃-850℃范围内保温5min-15min形成所述第四合金熔体。
可选地，在形成所述第一合金熔体的步骤中，在将Al加热熔化并升温至720℃-920℃之后，加入Si和Sr中的至少一种，熔化后形成所述第一合金熔体。
可选地，在形成所述第二合金熔体的步骤中，向第二熔炼炉中加入Al和Al-Al3BC合金并升温至750℃-860℃熔化后形成所述第二合金熔体。
可选地，在形成所述第四合金熔体的步骤中，在730℃-850℃范围内，保温5min-15min。
可选地，在形成所述第四合金熔体之后并在浇注所述第四合金熔体之前，调整所述第四合金熔体的温度至730℃-800℃，对所述第四合金熔体进行精炼处理10min-30min。
根据本发明的另一方面，提供一种Al-Si系合金，所述Al-Si系合金包括α-Al和共晶硅，所述Al-Si系合金还包括用于细化α-Al的掺杂型TiBC粒子以及用于变质共晶硅的Al4Sr相，所述掺杂型TiBC粒子是指Si和Sr中的至少一种掺杂在包括Ti、B和C的TiBC粒子中。
根据本发明，TSBC-Al晶种合金能够克服Al-Si系多元合金细化或变质“中毒”难题，同步细化α-Al和变质共晶Si，从而提高Al-Si系合金的综合性能。
根据本发明，掺杂型TiBC粒子和Al4Sr相可以为原位自生。这使得晶种/相与铝基体界面洁净、结合良好，从而能够充分发挥细化α-Al和变质共晶Si的作用。
根据本发明，TSBC-Al晶种合金的制备方法原料成本低、工艺简单、绿色环保，产业化潜力高。
附图说明
通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其它目的、特点和优点将会变得更加清楚，其中：
图1和图2是使用电子探针对根据本发明的实施例的TSBC-Al晶种合金进行成分分析的图；
图3是使用光学显微镜观察的在添加TSBC-Al晶种合金前后的Al-7Si-Mg-Cu-Ti合金的宏观及微观晶粒组织；
图4是使用扫描电子显微镜观察的TSBC-Al晶种合金的组织结构；
图5是使用扫描电子显微镜观察的在添加TSBC-Al晶种合金后的Al-7Si-Mg-Cu-Ti合金中的共晶Si相形貌。
具体实施方式
在下文中，将参照附图如下描述本发明的实施例。
然而，本发明可按照许多不同的形式例示并且不应被解释为限于在此阐述的具体实施例。更确切地说，提供这些实施例使得本发明将是彻底的和完整的，并且将要把本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。
应理解的是，当在说明书中使用术语“包括”和/或“包含”时，其列举存在所陈述的材料和/或成分，但不排除存在或添加一种或更多种其它材料和/或成分。
TSBC-Al晶种合金
根据本发明的实施例的TSBC-Al晶种合金可包括Al基体、分布于Al基体上的掺杂型TiBC粒子和Al4Sr相，掺杂型TiBC粒子是指Si和Sr中的至少一种掺杂在包括Ti、B和C的TiBC粒子中。
图1和图2是使用电子探针对根据本发明的实施例的TSBC-Al晶种合金进行成分分析的图。
在图1和图2中，在光学显微镜下呈灰色的灰色基体为Al基体，在Al基体上，分布有在光学显微镜下呈亮白色的粒子。通过电子探针成分分析可知，图1中左侧粒子为掺杂有Si的TiBC粒子，右侧粒子为掺杂有Sr的TiBC粒子。通过电子探针成分分析可知，图2中的粒子为同时掺杂有Sr和Si的TiBC粒子。TiBC粒子是指包括Ti、B和C三种元素的粒子，且各个TiBC粒子中的三种元素所占比例可能有所不同，而不受限制。
图1和图2中示出了在Al基体上同时分布着掺杂有Si的TiBC粒子、掺杂有Sr的TiBC粒子和同时掺杂有Sr和Si的TiBC粒子。但本发明不限于此，根据制造工艺，在Al基体上可能分布三种粒子(即，掺杂有Si的TiBC粒子、掺杂有Sr的TiBC粒子和同时掺杂有Sr和Si的TiBC粒子)中的至少一种粒子，可称为掺杂型TiBC粒子。作为示例，掺杂型TiBC粒子可仅形成一种粒子，例如，可能仅形成掺杂有Si的TiBC粒子，可能仅形成掺杂有Sr的TiBC粒子或者可能仅形成同时掺杂有Sr和Si的TiBC粒子。作为另一示例，掺杂型TiBC粒子可仅两种粒子，例如下，可能仅形成掺杂有Si的TiBC粒子和掺杂有Sr的TiBC粒子，可能仅形成掺杂有Si的TiBC粒子和同时掺杂有Sr和Si的TiBC粒子，或者可能仅形成掺杂有Sr的TiBC粒子和同时掺杂有Sr和Si的TiBC粒子。作为另一示例，掺杂型TiBC粒子可形成上述三种粒子。也就是说，根据本发明的实施例，掺杂型TiBC粒子可以是独立存在的一种粒子，也可以是相互复合的两种或三种粒子，上述存在方式均不影响晶种的形核细化的能力和效率。
掺杂型TiBC粒子可作为α-Al的晶种且可不受Al-Si系复杂熔体环境的影响，对α-Al直接形核，高效细化铝晶粒并改善晶粒形貌。
图3是使用光学显微镜观察的在添加TSBC-Al晶种合金前后的Al-7Si-Mg-Cu-Ti合金的宏观及微观晶粒组织。在Al-7Si-Mg-Cu-Ti合金中，Si的重量比占Al-7Si-Mg-Cu-Ti合金总重量的7wt％。Al-7Si-Mg-Cu-Ti合金为亚共晶Al-Si系合金。该合金包括α-Al和共晶硅。
如图3所示，可以看出在添加TSBC-Al晶种合金前，α-Al晶粒粗大，可达毫米级别，且其枝晶发达，这导致补缩通道长、阻力大，枝晶间补缩困难，引发偏析、缩松、缩气孔、雪花斑等铸造缺陷，最终导致铸件综合性能差、铸废率高。添加TSBC-Al晶种合金后，α-Al晶粒明显细化，且晶粒枝晶不再明显，变为近球状。因此，添加TSBC-Al晶种合金后，可同时降低α-Al的晶粒尺寸和改善晶粒形貌，提高合金熔体的流动性能、成型性能和铸件的表面质量与一致性，提高致密度，减少缩松、缩孔等缺陷，降低因这些缺陷对力学性能及加工性能的不利影响。
根据本发明的实施例，掺杂型TiBC粒子中的Sr的掺杂量可小于等于TiBC粒子的15wt％，掺杂型TiBC粒子中的Si的掺杂量可小于等于TiBC粒子的10wt％。例如，掺杂型TiBC粒子中的Sr的掺杂量可大于等于TiBC粒子的1wt％且小于等于TiBC粒子的12wt％，或者掺杂型TiBC粒子中的Sr的掺杂量可大于等于TiBC粒子的3wt％且小于等于TiBC粒子的8wt％。例如，掺杂型TiBC粒子中的Si的掺杂量可大于等于TiBC粒子的1wt％且小于等于TiBC粒子的8wt％，或者掺杂型TiBC粒子中的Si的掺杂量可大于等于TiBC粒子的3wt％且小于等于TiBC粒子的6wt％。
根据本发明的实施例，基于100wt％的TSBC-Al晶种合金，掺杂型TiBC粒子的含量可小于或等于12wt％，Al4Sr相的含量可小于或等于7.25wt％。例如，基于100wt％的TSBC-Al晶种合金，掺杂型TiBC粒子的含量可大于等于2wt％且小于或等于10wt％，或者掺杂型TiBC粒子的含量可大于等于4wt％且小于或等于7wt％。例如，基于100wt％的TSBC-Al晶种合金，Al4Sr相的含量可大于等于3wt％且小于或等于5wt％。
根据本发明的实施例，掺杂型TiBC粒子可以为原位自生。这使得晶种/相与铝基体界面洁净、结合良好，从而能够充分发挥细化α-Al的作用。
根据本发明的实施例，掺杂型TiBC粒子大体呈球形，尺寸在100nm-2μm之间。掺杂型TiBC粒子具有多尺度特征，即，各个粒子间的尺寸分布较大，使其能够在较小的过冷度时就可起始形核，在较大的过冷度区间内连续形核，保证其形核效率。
图4是使用扫描电子显微镜观察的TSBC-Al晶种合金的组织结构。图4中示出的细薄片形状的相为Al4Sr相，Al4Sr相可以为共晶相。细薄片形共晶Al4Sr相能够迅速地溶解于铝合金熔体中，溶解的Sr活性高、吸收率高，可以更加高效地变质共晶Si相。
图5是使用扫描电子显微镜观察的在添加TSBC-Al晶种合金后的Al-7Si-Mg-Cu-Ti合金中的共晶Si相形貌。如图5所示，共晶Si相呈现典型的变质特征，即，Al4Sr相可对共晶Si相进行变质，变质后的Al4Sr相为细小纤维状、短棒状或点状，能够降低合金服役过程中的应力集中以及对基体的割裂影响。
根据本发明的实施例，Al4Sr相可以为原位自生。这使得晶种/相与铝基体界面洁净、结合良好，从而能够充分发挥变质共晶Si的作用。
如上所述，根据本发明的实施例的TSBC-Al晶种合金能够克服Al-Si系多元合金细化或变质“中毒”难题，同步细化α-Al和变质共晶Si，从而提高Al-Si系合金的综合性能。
TSBC-Al晶种合金的制备方法
以下，描述根据本发明的实施例的TSBC-Al晶种合金的制备方法。然而，应理解的是，根据本发明的实施例的TSBC-Al晶种合金不受以下描述的制备方法的限制，通过其它方法制造的具有以上描述的特征的晶种合金也在本发明的保护范围内。另外，为了简洁起见，将省略与以上TSBC-Al晶种合金中的描述重复的描述。
根据本发明的实施例的TSBC-Al晶种合金的制备方法可包括：向第一熔炼炉中加入Al，加热熔化后向熔体中加入Ti，并加入Sr和Si中的至少一种，形成第一合金熔体；向第二熔炼炉中加入Al和Al-Al3BC合金，形成第二合金熔体；将第一合金熔体和第二合金熔体混合在一起，控制熔体温度在730℃-850℃范围内，保温5min-30min，形成第三合金熔体；向第三合金熔体中添加包括Al4Sr相的Al-Sr合金形成第四合金熔体；浇注第四合金熔体形成TSBC-Al晶种合金。
在形成第一合金熔体的步骤中，向第一熔炼炉中加入Al，加热熔化后向熔体中加入Ti，并加入Sr和Si中的至少一种。例如，Al可通过纯铝的方式被引入，Si可通过纯Si的方式被引入，Ti可通过海绵Ti的方式被引入，Sr可通过纯Sr或Al-Sr合金的方式被引入。Al-Sr合金的具体成分不受限制，只要包括Al4Sr相即可。另外，第一熔炼炉和下文中的第二熔炼炉的具体类型等不受限制，只要能够起到熔化形成熔体的作用即可。
在形成第一合金熔体的步骤中，可选择加入Sr和Si中的至少一种。加入Si的目的是，将Si掺杂到原位合成的TiBC晶种中。另外，加入Sr的目的是，将Sr掺杂到原位合成的TiBC晶种中。可选择同时加入Sr和Si，或者可仅加入Sr和Si中的一种，以形成上述掺杂型TiBC粒子。作为示例，为了保证充分熔化，在将Al加热熔化并升温至720℃-920℃之后，加入Si和Sr中的至少一种，熔化后形成第一合金熔体。
在形成第二合金熔体的步骤中，向第二熔炼炉中加入Al和Al-Al3BC合金。Al可通过纯铝的方式被引入。另外，Al-Al3BC合金是指包括Al3BC相的合金，其中Al3BC相所占比重不受限制。作为示例，在形成第二合金熔体的步骤中，为了充分熔化，向第二熔炼炉中加入Al和Al-Al3BC合金并升温至750℃-860℃熔化后形成第二合金熔体。
在形成第三合金熔体的步骤中，将第一合金熔体和第二合金熔体混合在一起，控制熔体温度在730℃-850℃范围内，保温5min-30min。将第一合金熔体和第二合金熔体混合在一起后，溶解于铝合金熔体中的Ti、Sr、Si元素与Al3BC粒子发生原位反应并进行同步掺杂，合成掺杂型TiBC晶种。控制熔体温度在730℃-850℃范围内，保温5min-30min，可保证充分的反应和掺杂。
在形成第四合金熔体的步骤中，向第三合金熔体中添加包括Al4Sr相的Al-Sr合金。Al-Sr合金的具体成分不受限制，只要包括Al4Sr相即可。作为示例，可在730℃-850℃范围内，保温5min-15min。添加的这部分Al-Sr合金，目的是为了在后续凝固过程中，能够原位析出共晶Al4Sr相。
根据本发明的实施例，在浇注第四合金熔体形成TSBC-Al晶种合金之前，可调整第四合金熔体的温度至730℃-800℃，对第四合金熔体进行精炼处理10min-30min，以进行除气和除杂。
根据以上描述的TSBC-Al晶种合金的制备方法，可在Al基体上原位形成掺杂型TiBC粒子和Al4Sr相。
根据本发明的实施例的TSBC-Al晶种合金的制备方法，原料成本低、工艺简单、绿色环保，产业化潜力高。制备得到的晶种合金适用于亚共晶和近共晶Al-Si系合金的同步细化和变质熔体处理，能够克服复杂的熔体环境的影响和Si导致的细化中毒，达到细化α-Al枝晶和变质共晶Si的双重效果，使得Al-Si系合金综合性能得以稳定提升。
Al-Si系合金
根据本发明的实施例的Al-Si系合金可包括α-Al和共晶硅，另外，还可包括用于细化α-Al的上述掺杂型TiBC粒子以及用于变质共晶硅的Al4Sr相。由于在对TSBC-Al晶种合金的描述中已经对掺杂型TiBC粒子和Al4Sr相进行了描述，在此将省略其详细描述。根据本发明的实施例，Al-Si系可以为亚共晶或过共晶Al-Si系合金，例如，可以为以上描述的Al-7Si-Mg-Cu-Ti合金。然而，本发明不限于此，根据本发明的实施例的Al-Si系合金可以为包括α-Al和共晶硅的任意Al-Si系合金。
根据本发明的实施例的TSBC-Al晶种合金及其制备方法可取得不限于以下描述的有益技术效果。
根据本发明，TSBC-Al晶种合金能够克服Al-Si系多元合金细化或变质“中毒”难题，同步细化α-Al和变质共晶Si，从而提高Al-Si系合金的综合性能。
根据本发明，掺杂型TiBC粒子和Al4Sr相可以为原位自生。这使得晶种/相与铝基体界面洁净、结合良好，从而能够充分发挥细化α-Al和变质共晶Si的作用。
根据本发明，TSBC-Al晶种合金的制备方法原料成本低、工艺简单、绿色环保，产业化潜力高。
尽管已经参照其示例性实施例具体描述了本发明的示例性实施例，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。
Claims (13)
1.一种TSBC-Al晶种合金，其特征在于，所述TSBC-Al晶种合金包括Al基体、分布于Al基体上的掺杂型TiBC粒子和Al4Sr相，所述掺杂型TiBC粒子是指Si和Sr中的至少一种掺杂在包括Ti、B和C的TiBC粒子中。
2.根据权利要求1所述的TSBC-Al晶种合金，其特征在于，所述掺杂型TiBC粒子包括掺杂有Sr的TiBC粒子、掺杂有Si的TiBC粒子和同时掺杂有Sr和Si的TiBC粒子。
3.根据权利要求1所述的TSBC-Al晶种合金，其特征在于，基于100wt％的所述TSBC-Al晶种合金，所述掺杂型TiBC粒子的含量小于或等于12.0wt％，Al4Sr相的含量小于或等于7.25wt％。
4.根据权利要求1所述的TSBC-Al晶种合金，其特征在于，所述掺杂型TiBC粒子中的Sr的掺杂量小于等于所述TiBC粒子的15wt％，所述掺杂型TiBC粒子中的Si的掺杂量小于等于所述TiBC粒子的10wt％。
5.根据权利要求1所述的TSBC-Al晶种合金，其特征在于，所述掺杂型TiBC粒子和Al4Sr相均为原位自生。
6.根据权利要求1所述的TSBC-Al晶种合金，其特征在于，所述掺杂型TiBC粒子大体呈球形，尺寸在100nm-2μm之间，
Al4Sr相为共晶相，呈细薄片形。
7.一种TSBC-Al晶种合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
向第一熔炼炉中加入Al，加热熔化后向熔体中加入Ti，并加入Sr和Si中的至少一种，形成第一合金熔体；
向第二熔炼炉中加入Al和Al-Al3BC合金，形成第二合金熔体；
将所述第一合金熔体和所述第二合金熔体混合在一起，控制熔体温度在730℃-850℃范围内，保温5min-30min，形成第三合金熔体；
向所述第三合金熔体中添加包括Al4Sr相的Al-Sr合金形成第四合金熔体；
浇注所述第四合金熔体形成所述TSBC-Al晶种合金。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在向所述第三合金熔体中添加Al-Sr合金后，在730℃-850℃范围内保温5min-15min形成所述第四合金熔体。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在形成所述第一合金熔体的步骤中，在将Al加热熔化并升温至720℃-920℃之后，加入Si和Sr中的至少一种，熔化后形成所述第一合金熔体。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在形成所述第二合金熔体的步骤中，向第二熔炼炉中加入Al和Al-Al3BC合金并升温至750℃-860℃熔化后形成所述第二合金熔体。
11.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在形成所述第四合金熔体的步骤中，在730℃-850℃范围内，保温5min-15min。
12.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在形成所述第四合金熔体之后并在浇注所述第四合金熔体之前，调整所述第四合金熔体的温度至730℃-800℃，对所述第四合金熔体进行精炼处理10min-30min。
13.一种Al-Si系合金，所述Al-Si系合金包括α-Al和共晶硅，其特征在于，所述Al-Si系合金还包括用于细化α-Al的掺杂型TiBC粒子以及用于变质共晶硅的Al4Sr相，所述掺杂型TiBC粒子是指Si和Sr中的至少一种掺杂在包括Ti、B和C的TiBC粒子中。
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