燃烧合成Al-Ti-C结构宏观动力学及Al-Ti-C细化效果评价

摘要

燃烧合成(SHS、CS)因其合成迅速、工艺简单、节能等优点成为制备化合物及复合材料的新技术。特别是在新一代铝及铝合金晶粒细化剂Al-Ti-C中间合金的制备中显示出独特的优越性，燃烧合成方法较好地解决了产物TiC含量低、细化相Al3Ti、TiC分布不均等问题。虽然燃烧合成法制备Al/TiC复合材料的研究已取得很大进展，但是对燃烧合成Al-Ti-C中间合金晶粒细化剂的反应过程、组织转变规律及结构形成机理研究甚少，燃烧合成法制备的Al-Ti-C中间合金还未曾接受工业化应用评价。本文在国家“863计划”新材料技术领域：新型铝及铝合金品粒细化合金Al-Ti-C及其线材(2003AA33X050)项目的支持下，进行以下方面研究： 本文用热力学理论，计算了Al-Ti-C燃烧合成反应的绝热温度，发现绝热温度与预热温度大致呈线性关系，预热温度提高，反应的绝热温度也相应提高，燃烧合成制备Al-Ti-C中间合金的预热温度应大于633K。 采用自蔓延合成、热爆合成及铝液中热爆合成等三种模式制备了Al-Ti-C中间合金，并对其反应过程进行了比较，掌握了制备Al-Ti-C中间合金的不同工艺要求。探讨了工艺参数对自蔓延合成Al-Ti-C中间合金的合成过程、产物相组成及组织形貌的影响，主要包括原料Ti/C比、压坯压力、压坯直径、预热温度、碳粉与Ti粉粒度等。发现自蔓延模式制备的Al-Ti-C中间合金组织形态优于热爆模式。原料Ti/C比是决定产物中TiC、Al3Ti相数量与分布形态的关键，压坯压力、预热温度、碳粉与Ti粉粒度等对燃烧温度和产物组织形貌有显著影响。探讨了铝液中热爆合成Al-Ti-C中间合金的铝液温度、Al含量等工艺参数对反应过程以及对产物相组成及组织形貌的影响，发现随着铝液温度提高、Al含量降低，反应体系燃烧温度升高，中间合金中Al3Ti相数量减少，由细小块状向粗大棒状转变，TiC数量增多，并出现聚集长大现象。 在873-1473K范围内对Al-Ti-C体系进行高温X衍射分析，结合反应产物断面形貌SEM观察，研究Al-Ti-C体系组织转变过程，结果表明：试样中Al熔化前未发生Al、Ti间的固-固扩散反应，873K时反应产物中无Al3Ti生成：973K时出现Al3Ti，1173K时TiC形成。 利用圆柱体钢模具成功淬熄了自蔓延合成Al-Ti-C中间合金时压坯中的燃烧波，得到了不同反应程度的产物微区形貌；另外，通过1073-1173K铝熔体中热爆合成Al-Ti-C反应压坯的淬熄实验，得到不同反应阶段的淬熄组织。通过对不同淬熄区的产物进行相关的测试分析，认为燃烧合成Al-Ti-C中间合金的反应过程大致分为以下几个阶段：①预热阶段的Al熔化过程；②初始反应阶段的Al-Ti反应并析出Al3Ti过程；③完全反应阶段Al3Ti分解，Ti-C反应过程④燃烧完成阶段的产物冷却结晶过程。提出燃烧合成Al-Ti-C中间合金过程中Al3Ti的形成反应符合反应-溶解-析出机制，即Al熔化后向Ti扩散，发生放热反应3Al(l)+Ti(s)=Al3Ti(s)，最后从饱和Al-Ti熔体中析出Al3Ti:而TiC形成反应存在扩散-析出、溶解-析出两种机制，即①扩散-析出机制：在低温区间，Al3Ti分解形成活性Ti原子，被碳吸附形成TiCx层，然后Ti、C沿相反方向同时向TiCx层中扩散，发生放热反应[Ti]+C(s)=TiC(s)，至TiCx中C浓度达饱和时析出TiC粒子；②溶解-析出机制：在高温区间，达到1613K后Al3Ti熔化形成Al-Ti层，C溶解其中形成Al-Ti-C熔体，发生放热反应[Ti]+C(s)=TiC(s)最终TiC从饱和Al-Ti-C熔体析出长大。 通过对自蔓延合成Al-Ti-C中间合金的稀释工艺(压坯压力、铝液温度、保温时间等)研究，获得适合工业化批量生产的稀释工艺参数；基于实验室中对Al-Ti-C合金的制备、组织形态及细化性能评价结果，采用自蔓延合成方法制备20kg新型Al-Ti-C合金铸锭，并挤压加工为中间合金丝。新型Al-Ti-C合金丝由Al-TiC-Al3Ti组成，TiC为球形颗粒，尺寸0.5-1.5μm；Al3Ti为块状，尺寸8-20μm，分散分布。 在工业化实际生产条件下评价新型Al-Ti-C合金丝的细化性能。结果表明，采用新型Al-Ti-C中间合金丝细化1235、5052、8011铝合金的效果与与进口Al-Ti-B相当，三种铝合金铸轧卷(锭)晶粒度均达到一级，力学性能优良，分别加工了0.0065mm箔材和0.014 mm家用铝箔、0.0111mm啤酒封箔材、管材成品共17吨，全部销于用户，产品质量良好。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1铝及铝合金晶粒细化剂与Al-Ti-C中间合金

1.2 Al-Ti-C晶粒细化剂制备方法研究现状

1.2.1熔炼法

1.2.2铝热反应法

1.2.3燃烧合成(CS)

1.2.4放热弥散法(XD)

1.2.5接触反应法（DRS）/合金熔体中热爆

1.3燃烧合成技术

1.3.1发展历史

1.3.2燃烧合成基本原理及特点

1.3.3燃烧模式

1.4结构宏观动力学

1.4.1结构宏观动力学理论基础

1.4.2结构宏观动力学研究方法

1.4.3结构宏观动力学研究现状

1.4本文的研究思路及主要研究内容

第2章燃烧合成Al-Ti-C中间合金

2.1合成过程、装置及实验研究方法

2.1.1原料及压坯制备

2.1.2燃烧合成装置

2.1.3燃烧合成实验方法

2.2自蔓延合成Al-Ti-C中间合金

2.2.1自蔓延合成Al-Ti-C的温度曲线

2.2.2自蔓延合成产物的相组成及成分

2.2.3反应原料的影响

2.2.4工艺条件的影响

2.3热爆模式合成Al-Ti-C中间合金

2.3.1热爆合成Al-Ti-C的温度曲线

2.3.2热爆合成产物的相组成及成分

2.3.3反应原料的影响

2.4铝熔体中热爆合成Al-Ti-C中间合金

2.4.1铝液中热爆合成Al-Ti-C温度曲线

2.4.2Al含量对铝熔体中热爆合成Al-Ti-C的影响

2.4.3铝液温度对铝熔体中热爆合成Al-Ti-C的影响

2.5本章小结：

第3章燃烧合成Al-Ti-C结构宏观动力学

3.1 Al-Ti-C体系的热力学分析

3.1.1标准反应热效应与物质相对焓

3.1.2绝热温度

3.2 Al-Ti-C体系的DTA分析

3.3 Al-Ti-C体系高温X衍射实验

3.3.1高温X衍射产物的相组成

3.3.2高温X衍射反应产物的微观形貌

3.4燃烧波淬熄实验

3.4.1实验装置

3.4.2燃烧波淬熄试样的测试分析

3.4.3淬熄试样各区的相组成

3.4.4淬熄试样各区的微观组织形貌分析

3.5铝熔体中热爆反应压坯的淬熄实验

3.5.1 1073K铝熔体中热爆淬熄产物

3.5.2 1173K铝熔体中热爆淬熄产物

3.5.3 1273K铝熔体中热爆淬熄产物

3.6燃烧合成Al-Ti-C中间合金动力学分析

3.6.1燃烧合成Al-Ti-C中间合金的过程

3.6.2燃烧合成Al-Ti-C中间合金的反应机制

3.6.3燃烧合成Al-Ti-C中间合金的反应模型

3.6.4 TiC的生成过程分析

3.7本章小结

第4章Al-Ti-C中间合金细化效果的实验室评价

4.1稀释处理

4.1.1压坯压力的影响

4.1.2铝熔体温度的影响

4.1.3保温时间的影响

4.2 0.1kg中间合金铸锭的细化性能评定

4.3 1kg中间合金铸锭的细化性能评定

4.4新型Al-Ti-C线材的挤压加工

4.4.1 Al-Ti-C中间合金20kg铸锭的制备

4.4.2挤压加工中间合金线材

4.5本章小结：

第5章新型Al-Ti-C中间合金线材工业化评价

5.1细化1235铝合金

5.1.1铸轧板的细化处理

5.1.2冷轧

5.1.3退火处理

5.1.4箔材轧制工艺

5.1.5铝箔分切

5.1.6成品退火处理

5.2细化5052铝合金

5.2.1生产条件及工艺

5.2.2试验结果

5.3细化8011铝合金

5.3.1铸轧板的细化处理

5.3.2冷轧

5.3.3退火处理

5.3.4箔材轧制工艺

5.3.5铝箔分切

5.3.6成品退火处理

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

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