鋁熔體中TiC合成與演變的研究.pdf

1、本文利用光學(xué)顯微鏡(OM)、電子探針顯微分析儀(EPMA)、差示掃描量熱儀(DSC)、X射線衍射儀(XRD)、透射電鏡(TEM)及場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)等測試手段對TiC在鋁熔體中的反應(yīng)合成及其在不同熔體環(huán)境下的演變進(jìn)行了研究。通過分析制備條件與TiC形貌、分布及大小等之間的相關(guān)性,揭示了鋁熔體反應(yīng)法中影響TiC的主要因素,并提出了一種彌散型Al-Ti-C中間合金的制備方法；研究了TiC在其它元素影響下的演變規(guī)律,分析了碳空

2、位在其演變過程中的關(guān)鍵作用；提出了控制TiC演變的方法并利用其演變開發(fā)了幾種新型中間合金。本文的主要研究工作如下:
　　 (1)TiC的鋁熔體反應(yīng)合成原理與技術(shù)研究TiC的形貌、分布及大小等組織特征對其應(yīng)用效果有重要影響。用鋁熔體反應(yīng)法制備的TiC組織特征往往出現(xiàn)較大的差異。分析比較不同條件下制備的Al-Ti-C中間合金的微觀組織,發(fā)現(xiàn)生成方式是決定TiC形貌及分布的主要因素。當(dāng)TiC以:
　　 Ti+C→TiC(s)(

3、Ⅰ)方式合成時(shí),所得到的組織均勻彌散,形狀規(guī)則；但當(dāng)其以:
　　 Ti+Al4C3(s)→TiC(s)+Al(1)(Ⅱ)方式合成時(shí)(其中Ti和C分別表示熔體中溶解的Ti和C),制備的TiC容易聚集成團(tuán),且常以大的片狀或塊狀存在,同時(shí)反應(yīng)難以充分進(jìn)行,容易殘留Al4C3或TiAlxCy,三元過渡相。因此,在制備Al-Ti-C的過程中,應(yīng)盡量采取措施,避免TiC以反應(yīng)方式(Ⅱ)生成,同時(shí)促進(jìn)反應(yīng)(Ⅰ)的進(jìn)行。
　　 在此基礎(chǔ)

4、上,提出了一種彌散型Al-Ti-C中間合金的制備工藝。通過減小石墨顆粒的尺寸,改善其與鋁熔體的潤濕性,促進(jìn)反應(yīng)過程中碳的溶解,提高其與Ti直接反應(yīng)的幾率,并抑制Al4C3的形成。用該方法可以穩(wěn)定地制備出含彌散TiC粒子的Al-Ti-C系列中間合金,試驗(yàn)證明其對鋁及其合金具有優(yōu)良的細(xì)化效果。
　　 (2)鋁熔體中TiC演變的研究TiC主要用來作為復(fù)合材料的增強(qiáng)相及細(xì)化過程中的異質(zhì)形核襯底,但是無論做何種用途,一個(gè)基本的要求就是Ti

5、C必需能夠穩(wěn)定地存在于基體中。而事實(shí)上,TiC在鋁熔體環(huán)境下并不穩(wěn)定,在一定條件下很容易發(fā)生演變。研究發(fā)現(xiàn),Zr對TiC在鋁熔體中的演變影響較小,而Si、B等,對其影響較大。Si在低溫下加入到Al-Ti-C熔體中會促進(jìn)TiC的演變,使其迅速生成Al4C3,Si客觀上起到了催化劑的作用:在高溫下加入后,Si會與TiC反應(yīng)生成Ti3SiC2相。硼對TiC的影響表現(xiàn)出兩面性,在較低的溫度下(900℃以下),硼的加入會抑制TiC的演變,提高其穩(wěn)

6、定性；但是在較高溫度下(900℃以上),硼會直接與TiC反應(yīng),生成TiB2和Al4C3。
　　 分析認(rèn)為,TiC在鋁熔體中的演變與其存在大量碳空位有關(guān)。在低溫下,Si、B等原子容易以空位為擴(kuò)散通道,進(jìn)入到TiCx(表示含空位的TiC)中形成摻雜。Si等大尺寸原子的摻雜會在TiCx中引起較大的晶格畸變,從而加速其演變；而硼等小尺寸原子的摻雜會對TiCx起穩(wěn)定性作用。在高溫下,異類原子在TiCx中的摻雜及擴(kuò)散將不再是主導(dǎo)因素,取而代

7、之的是Si、B與TiCx的直接反應(yīng)。
　　 此外,通過計(jì)算機(jī)模擬探討了碳空位對TiC形核能力的影響。發(fā)現(xiàn)無空位TiC是鋁的有效形核襯底。將TiC加入到一定條件下的鋁熔體中,它能夠使Al原子依附于其周圍并形成一個(gè)完全共格的有序區(qū),最終促進(jìn)形核,細(xì)化晶粒。但是隨著TiCx中碳空位數(shù)量的增加,Al原子在TiCx表面的偏聚及有序化受到削弱,由原來的完全共格逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌耆哺瘛Ｒ虼?減少TiCx中的碳空位是提高其穩(wěn)定性和形核率的關(guān)鍵。<

8、br>　　 (3)TiCx演變的控制及其應(yīng)用采取措施對TiCx演變進(jìn)行控制。如在鋁熔體反應(yīng)合成過程中通過實(shí)現(xiàn)硼或氮在TiCx中的摻雜,使其占據(jù)TiCx中容易形成碳空位的位置,從而減少TiCx空位數(shù)量。試驗(yàn)及模擬結(jié)果表明:摻雜后的TiC具有更好的穩(wěn)定性和細(xì)化效果。
　　 另外,利用TiCx的演變能夠制備出富含Al4C3顆粒的中間合金用于Mg-Al合金的細(xì)化,但是由于Ti的存在,毒化了Al4C3對α-Mg的細(xì)化能力。為解決這一問題