基于SHS技术制备Al-Ti-C晶粒细化剂的研究

开发了一种制备Al-Ti-C晶粒细化剂的新方法--自蔓延高温合成法(SHS).分别采用直接SHS工艺和铝液中的SHS工艺制备出了所需的晶粒细化剂,结果表明:用SHS工艺直接合成的细化剂由Al和亚微米TiC粒子组成,而铝液中燃烧合成的细化剂则由Al、块状Al3Ti和粒状TiC组成.上述两种工艺制备的细化剂对工业纯铝均有良好的晶粒细化效果,但比较而言,铝液中的SHS工艺更适合细化剂的低成本制备.     

中间合金中第二相粒子TiC和TiAl3对纯铝的细化作用

研究Al-TiC和Al-TiAl3中间合金中第二相粒子TiC和TiAl3 对纯铝晶粒的细化作用.结果表明:当TiC和TiAl3单独作为α(Al)的形核相时,两者的形核能力均较差,但TiC粒子的形核和抗细化衰退能力优于TiAl3粒子的;当第二相粒子TiC和TiAl3共同作为α(Al)的形核相,且加入量适当时,表现出较强的形核能力和抗晶粒细化的衰退能力,细化效果较显著;配成的7组晶粒细化剂中,当细化剂中Ti和C摩尔比为1.8-1时,晶粒细化效果最好;这是由于TiAl3在铝熔体中分解释放出Ti原子并向TiC粒子周围偏聚,形成的TiC/铝熔体界面富Ti过渡区促进了TiC粒子在铝熔体中的均匀分布,提高了其形核能力.     

Al—Ti—C晶粒细化剂的实验研究

采用常规熔铸工艺制得了含碳0．09％－0．71％的Al－Ti－C晶粒细化剂,并对熔体化学反庆进行了热力学剖析。对Al－Ti－C中间合金的微观组织及TiC的尺寸与分布进行了X射线衍射、扫描电镜和光镜金相分析。研究了该细化剂对99．7％的纯铝的细化效果：当以块状加入AlTi5C0．2,加入后2min晶粒明显细化且保温2h细化效果无任何衰减,而以粉末形式加入时则细化效果很不明显。     

成分对热爆法合成Al-Ti-C的组织及细化效果的影响

采用铝熔体热爆法合成8种成分配比的Al-Ti-C晶粒细化剂。研究了按不同成分的Al：Ti：C比值进行配料、铝熔体温度为710℃合成Al—Ti—C晶粒细化剂的相组成、Al3Ti和TiC的形态及对工业纯铝的细化效果。XRD分析结果表明；随着预制块的Ti／C比值由高于1．5转为低于1．5，合成的晶粒细化剂由Al3Ti和Al两相组成转为由Al3Ti、TiC和Al三相组成，表明预制块中的Ti／C比值对合成的晶粒细化剂主要物相的组成有很大影响；合成的细化剂中Al3Ti呈块状分布；预制块的Ti／C为3／2时（即Al：Ti：C=3：3：2）合成的晶粒细化剂在8组细化剂中的细化效果最佳。这表明TiC和Al3Ti相对量及形态的恰当组合是晶粒细化剂优良细化能力的保证。     

热爆法合成Al-Ti和Al-TiC晶粒细化剂及其晶粒细化效果

采用铝熔体热爆法直接合成了Al-Ti和Al-TiC两种晶粒细化剂,研究了这两种细化剂的相组成及对工业纯铝的晶粒细化效果.结果表明,合成的Al-Ti细化剂只含有第二相TiAl3相,Al-TiC细化剂只含有第二相TiC相,无其它杂相生成.TiC和TiAl3单独作为α-Al的形核相时,二者形核能力均较差,但TiC的形核、抗细化衰退能力优于TiAl3.当TiC和TiAl3共同作为α-Al的形核相时,其表现出较强的形核能力和抗晶粒细化衰退能力.这表明Al-Ti-C晶粒细化剂良好的细化效果离不开TiC和TiAl3的共同作用,适当的TiC和TiAl3组合是晶粒细化剂优良细化能力的保证.     

铝硅合金晶粒细化剂Al-Ti-C-P的研制

采用自蔓延＋熔铸法制备了Al-Ti—C-P晶粒细化剂，探讨了其对共晶铝硅合金的变质效果。通过扫描电镜（SEM）、光学显微镜（OM）、能谱分析（EDS）和X射线衍射仪（XRD）等手段，研究了Al—Ti—C—P晶粒细化刺的显微组织。结果表明：Al—Ti—C—P晶粒细化剂的主要相组成为TiAl3、TiC、AlP，对共晶铝硅合金具有优良的变质效果。晶粒细化剂中的TiAl2和TiC颗粒促进了AlP时共晶铝硅合金的变质效果。     

Al-Ti-C与Al-Ti-B晶粒细化剂的Zr中毒机理

通过采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射(XRD)等对Al-Ti-Zr-C与Al-Ti-Zr-B试验合金中Al3Zr、Al3Ti、TiC或TiB2等第二相粒子结合情况的观察,研究晶粒细化剂的Zr中毒机理。结果表明:两种实验铝合金的凝固组织中Al3Zr均容易与Al3Ti结合形成聚积体,从而抑制了Al3Ti异质形核、细化晶粒的作用,出现所谓晶粒细化剂的Zr中毒现象;而TiC、TiB2粒子基本不与Al3Zr结合,但受Al3Zr的影响出现了团聚现象。根据边-边匹配晶体学模型(E2EM)计算表明:Al3Zr与Al3Ti、α-Ti具有多种可能的共格位向关系,而与TiC/TiB2粒子均只有一种可能的共格位向关系。母相-新相的共格位向关系的多少可作为晶粒细化剂设计的晶体学理论参考。     

稀土对Al-3Ti-0.2C细化剂显微组织及细化性能的影响

采用海绵铁、石墨粉、混合稀土及工业纯铝制备了A1-3Ti-0.2C-IRE及AI-M-01C两种细化剂,并对工业纯铝进行了细化试验.利用X射线衍射仪(XRD)、带有能谱分析(EDS)的扫描电子显微镜(SEM)及光学显微镜((0m),对细化剂的相组成和显微组织及细化后的组织进行了研究.结果表明,与AI-M-01C相比,Al-3T1A2CA RE中Tic粒子的数量增多,TiAl3相的尺寸减小,并生成了Ti班1求e相.在细化剂的制备过程中,稀土元素富集在石墨颗粒周围,清除石墨颗粒与熔体界面上的氧化膜,促进了Tic粒子的合成.同时部分Ti2Al20Ce相与石墨反应也生成Tic粒子.在工业纯铝中分别添加0.4%的两种细化剂后,AI-M-0.2C使晶粒尺寸细化到151μm,而Al-3Ti-0.2C-1RE可将其细化到107μm.     

几种典型细化剂对A356合金的细化作用

研究了几种常用的Al-Ti-B、Al-Ti-C、Al-Ti和Al-3B细化剂微观组织及其对A356合金的细化效果。结果表明，对于4种Al-Ti-B细化剂，第二相的尺寸和分布对细化效果有一定影响，荷兰产Al-Ti-B细化剂Al3Ti尺寸小，TiB2呈弥散分布，细化后晶粒尺寸最小，在加入量（质量分数，下同）为0．2％，保温时间30min时，尺寸为500μm。对于不同系列晶粒细化剂，在加入量为0．2％和0．5％时，Al-Ti-B的细化效果均为最好。较快的凝固速度下，各种细化剂的细化效果无明显差别；凝固速度较慢时，Al-3B细化剂的细化效果较好。     

Al-Ti-C晶粒细化剂制备工艺的研究

利用Al液的高温,使加入其中的Al、Ti、C混合粉末发生SHS反应,制备出了Al-Ti-C中间合金晶粒细化剂,通过扫描电镜（SEM）、光学显微镜（OM）和能谱分析（EDS）等手段,研究了铝粉颗粒大小对制备的Al-Ti-C晶粒细化剂组织结构的影响,考察了制备的Al-Ti-C晶粒细化剂对工业纯Al的晶粒细化效果.结果表明：当铝粉大小为100目～200目的细铝粉时,制备的Al-Ti-C中间合金由块状Al3Ti、粒状TiC和Al基体组成,对工业纯Al具有良好的晶粒细化效果.     

最大取向值对晶粒生长元胞自动机模拟结果的影响

为了研究最大取向值Q的大小对晶粒生长的元胞自动机模拟过程及结果的影响,对Q值分别取30、50、70、100、150、200时进行了模拟分析。结果表明,Q值较小时晶粒生长过程中极易发生晶粒碰撞现象导致晶粒异常长大,当Q值大于100时模拟过程平稳且符合晶粒生长理论,当Q值大于150时对模拟过程没有显著影响。不同Q值时晶粒的生长指数相差很小,且与其他研究者给出的生长指数十分接近,说明模拟过程是可信的。     

400 MPa级超级钢焊接热影响区晶粒尺寸的预测

应用有限元方法建立了超级钢焊接温度场的数学模型,对5mm厚、400MPa超级钢等离子弧焊接温度场和热循环进行了模拟和分析;利用模拟得到的热影响区热循环曲线,根据晶粒长大动力学原理对热影响区晶粒尺寸进行预测。预测结果表明,焊接接头热影响区宽度约为6.5mm;焊接接头热影响区晶粒明显长大,最大晶粒尺寸约为180μm;焊接接头热影响区晶粒随冷却速度的加快而细化,但细化程度有限。     

Effect of grain boundary energy on surface-energy induced abnormal grain growth in columnar-grained film

In columnar-grained film with anisotropy in the surface energy, abnormal grain growth occurs to minimize the overall energy. We studied the effect of grain boundary energy on the surface-energy driven abnormal grain growth in thin films using the Monte Carlo computer simulation. Our simulation results show that the growth speed of abnormal growth slows down when grain boundary energy increases. It is because the speed of normal growth driven by the grain boundary energy minimization gets faster with increasing grain boundary energy, while that of the abnormal growth induced by the fixed surface energy is consistent. The growth kinetics was monitored based on the growth velocity of the abnormal grains relative to the average growth velocity of all the grains. It was also found that the abnormal growth kinetics was retarded by impingements among abnormally growing grains when there was more than one abnormal grain.     

MC方法模拟晶粒长大的改进算法和晶粒数统计的研究

基于材料等温下所有晶粒长大的同步性,认为单元进行再取向尝试时采用随机提取更符合物理模型,且所有单元全部提取并完成一次再取向尝试记为一个MCS,弥补了以往模拟中采用逐一提取单元的不足.晶粒长大模拟结果符合大晶粒不断变大且有相似性,小晶粒的无规则随机变小的规律.采用了对晶粒个数、面积的精确统计算法,得出晶粒长大指数达到0.48～0.51.     

42CrMo钢加热时奥氏体晶粒长大演化规律

对42CrMo钢在不同加热温度(850~1150℃)和保温时间(0~1200 s)下的奥氏体晶粒长大规律进行了研究。采用金相定量法对加热后材料的奥氏体晶粒度进行测量,建立42CrMo钢加热时奥氏体晶粒长大演化模型。结果表明:奥氏体晶粒尺寸随加热温度升高呈指数关系长大,随保温时间的延长呈近似抛物线形式长大;利用基于唯象理论的Sellars模型,通过非线性回归方法建立42CrMo钢加热时奥氏体晶粒长大演化模型;将该模型导入有限元软件中预报42Cr Mo钢加热时奥氏体晶粒变化,预报结果与实验结果吻合,验证了该模型的正确性。     

不同焊接电流电压下超级钢热影响区晶粒尺寸的数值模拟

.利用工程模拟软件模拟超级钢焊接温度场,在温度场模拟过程中对工件进行三维有限元网格划分,焊缝及热影响区等重要部位网格划分细密,离焊缝较远位置网格可适当稀疏.热源模型采用双椭球分布模式,利用计算机语言编制热源程序.从模拟温度场中提取热熔合线和焊接热循环曲线等信息,并实验加以验证,实验结果与模拟结果基本吻合.在热影响区温度场基础上,结合晶粒长大动力学原理计算热影响区晶粒尺寸,并实验加以验证,实验结果与计算结果基本吻合.利用此方法计算不同焊接电流、电压下热影响区晶粒尺寸,绘制晶粒尺寸图,定量预测了晶粒尺寸随电流、电压增加而增大的趋势.     

国外几种Al-Ti-B晶粒细化剂的质量评价

采用等离子体发射光谱仪、光学显微镜和扫描电镜,检测分析了英国LSM公司、荷兰KBM公司、西班牙Aleast-ur公司和韩国SLM公司生产的Al-Ti-B合金线的化学成分、显微组织和晶粒细化能力,评价了Al-Ti-B合金线的质量。结果表明,荷兰KBM公司生产的Al-Ti-B合金线的综合质量较好;英国LSM公司生产的Al-Ti-B合金线的TiAl3相、TiB2粒子的尺寸较大,TiB2粒子团聚较严重;西班牙Aleastur公司生产的Al-Ti-B合金线的Ti含量较低;韩国SLM公司生产的Al-Ti-B合金线的Fe、Si杂质元素含量较高。研究结果可为铝加工企业选用Al-Ti-B晶粒细化剂提供参考。     

Progress on grain growth dynamics in sintering of nano-powders

Nanostructured materials, characterized by an ultrafine grain size, have stimulated much research interest by virtue of their unusual mechanical, electrical, optical, and magnetic properties. In this paper, the sintering process of nano-powders were reviewed, to which sintering of the traditional materials compared. The microstructural development, i.e., grain growth and densification during sintering as well as the mechanism of crystal surface diffusion and boundary migration were analyzed, and the dynamic models on sintering process were summarized by the relationship of grain growth and pores size, interface diffusion, densification rate, and sintering temperature. Finally, the research tendency of this major on the basis of above models was discussed.     

加热工艺参数对12%Cr钢晶粒长大行为的影响

研究了不同加热工艺参数下(加热温度1050～1300℃,保温时间0.25～24 h) 12%Cr超超临界转子钢的奥氏体晶粒长大行为,并通过光学显微镜(OM)观察晶粒尺寸的变化规律,建立晶粒长大数学模型。结果表明:随着加热温度增加,晶粒尺寸逐渐增加,加热温度低于1150℃时,晶粒尺寸增加明显,而温度高于1150℃后,晶粒尺寸逐渐趋于稳定;随着保温时间的增加,晶粒尺寸逐渐增加,保温时间增加到3 h后,晶粒尺寸增加趋势放缓。采用非线性回归方法和Arrhenius晶粒长大模型,建立了该钢的晶粒长大数学模型。     

Mg对Al-Ti-B、Al-Ti-C中间合金细化铝晶粒效果的影响

试验研究了Mg对Al-5Ti-1B和Al-5Ti-0.2C两种中间合金细化铝晶粒效果的影响,分析了Mg影响两种中间合金细化铝晶粒行为的机制。结果表明,在w(Mg)=1%～7%的范围内,镁含量的增加,对两种中间合金细化铝晶粒的促进作用不显著,但对晶粒形貌有显著的影响;晶粒形貌取决于所用中间合金的种类和Mg添加量大小,相同镁含量时,用Al-5Ti-1B细化比用Al-5Ti-0.2C细化后晶粒的树枝化程度小;细化所用的中间合金相同时,随着镁含量的增加,细化晶粒的树枝化程度增大。