D0I:10.13374/1.issnl00u1153.2006.04.014 第28卷第4期 北京科技大学学报 Vol.28 No.4 2006年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2006 原位TC颗粒细化喷射沉积7075铝合金组织的机理 刘慧敏12)郝斌2)杨滨)张济山) 1)内蒙古工业大学材料科学与工程学院，呼和浩特0100512)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京100083 摘要采用原位反应喷射沉积法制备TiC/7075(TiC单体积分数为2.91%)铝合金，观察其微观 组织.应用Image Tool软件及平均截线法统计平均晶粒尺寸，并与喷射沉积7075铝合金进行对 比·发现前者的晶粒尺寸比后者减小50%左右，表明原位TC颗粒对喷射沉积7075铝合金组织 具有显著的细化作用·从形核的属性、速度以及过程的晶体学分析对其细化机理进行了解释。 关键词7075铝合金：原位TC颗粒：喷射沉积；微观组织 分类号TG146.2+1 喷射沉积法与半固态加工、薄板坯铸轧一起 再次被升温至810℃时进行喷射成形.具体喷射 被誉为21世纪材料制备工艺发展的三大技术，并 沉积工艺参数为：雾化气体为N2,雾化气体压力 被称为“未来材料制备技术之星”，该技术融合了 0.6~0.8MPa,过热度150~175℃，沉积距离 金属熔体的雾化与沉积成形，大幅度降低了生产 400mm,导流管直径3.0mm,采用相同的工艺条 成本，所制备的材料具有快速凝固组织的特性， 件下，制备不含TiC颗粒的7075铝合金作为对比 即均匀细小的晶粒尺寸、较低的偏析倾向、过饱和 基准 的固溶度并可能出现亚稳相山.目前该技术被广 采用Cambridge S250型扫描电镜(SEM)观 泛应用于铝合金、镁合金、铜合金、高温合金、磁性 察试样的微观组织，应用Image Tool软件及平均 合金、金属基复合材料等多种高性能结构材料与 截线法统计平均晶粒尺寸· 功能材料的制备公刀.近年来在原有的喷射沉积 技术的基础上，对设备不需做任何改进的前提下， 2 实验结果与分析 使得原位合成与喷射沉积技术结合在一起，进一 图1(a),(b)分别是喷射沉积7075和TiC./ 步发展形成了“原位反应喷射沉积法”，本文将采 7075铝合金的沉积态组织，由均匀细小的等轴晶 用该技术制备TiC/7075铝合金，分析其沉积态 粒组成，这是由于在喷射沉积过程中，一方面高 组织的形成机理 压氮气气流与熔体强烈的对流换热，使得合金凝 1 实验方法 固时获得很高的冷却速度(103~10Ks1);另 一方面是雾化气体与雾化的合金液滴之间的动能 实验用材料为原位反应喷射沉积TC/7075 交换，使雾滴获得很高的运动速度，根据模拟计算 (TiC体积含量为2.91%)铝合金，其制备方法： 结果[8表明其速度为50~100m·s1,具有较高 (1)将Ti粉(<50m)、石墨粉(<75m)、A1粉 动能的雾滴撞击基板或沉积表面，其冲击动能所 (<75m)按一定比例在混粉机内混合均匀，并压 产生的剪切应力将合金液滴和沉积表层的枝晶打 制成20mm×25mm的预制块备用；(2)将坩埚 碎，形成细小的非枝晶组织， 中的7075铝合金升温至900℃，用石墨钟罩将规 Lavernia等人对不同材料的喷射沉积组织进 定量的TiC一A1预制块压入此合金熔液中，通过 行的大量的研究表明)，尽管实验条件不同，材 原位反应生成TC颗粒，适当搅拌使其更加均匀 料成分不同，但其沉积态的微观组织总是以等轴 地分布于合金熔体中，待反应完成后降温至730 晶粒形态出现，尺寸范围约为10~50m,经统 ℃并用六氯乙烷和氟硅酸钠精炼除气；（③）熔体 计，在本研究中喷射沉积7075铝合金的平均晶粒 收稿日期：2005-05-04修回日期：2005-06-28 尺寸为20凸m,喷射沉积TiC./7075铝合金的平均 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。,50171010) 晶粒尺寸小于8，可见后者的组织被显著地细 作者简介：刘慧敏(1972一)，女，副教授，博士 化了，其细化率已达到60%，考虑到统计的误差
原位 TiC 颗粒细化喷射沉积7075铝合金组织的机理 刘慧敏12） 郝 斌2） 杨 滨2） 张济山2） 1） 内蒙古工业大学材料科学与工程学院呼和浩特010051 2） 北京科技大学新金属材料国家重点实验室北京100083 摘 要 采用原位反应喷射沉积法制备 TiCP／7075（TiCP 体积分数为2∙91％）铝合金观察其微观 组织．应用 Image Tool 软件及平均截线法统计平均晶粒尺寸并与喷射沉积7075铝合金进行对 比．发现前者的晶粒尺寸比后者减小50％左右表明原位 TiC 颗粒对喷射沉积7075铝合金组织 具有显著的细化作用．从形核的属性、速度以及过程的晶体学分析对其细化机理进行了解释． 关键词 7075铝合金；原位 TiC 颗粒；喷射沉积；微观组织 分类号 TG146∙2＋1 收稿日期：20050504 修回日期：20050628 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50171010） 作者简介：刘慧敏（1972—）女副教授博士 喷射沉积法与半固态加工、薄板坯铸轧一起 被誉为21世纪材料制备工艺发展的三大技术并 被称为“未来材料制备技术之星”．该技术融合了 金属熔体的雾化与沉积成形大幅度降低了生产 成本．所制备的材料具有快速凝固组织的特性 即均匀细小的晶粒尺寸、较低的偏析倾向、过饱和 的固溶度并可能出现亚稳相［1］．目前该技术被广 泛应用于铝合金、镁合金、铜合金、高温合金、磁性 合金、金属基复合材料等多种高性能结构材料与 功能材料的制备［27］．近年来在原有的喷射沉积 技术的基础上对设备不需做任何改进的前提下 使得原位合成与喷射沉积技术结合在一起进一 步发展形成了“原位反应喷射沉积法”．本文将采 用该技术制备 TiCP／7075铝合金分析其沉积态 组织的形成机理． 1 实验方法 实验用材料为原位反应喷射沉积 TiCP／7075 （TiCP 体积含量为2∙91％）铝合金．其制备方法： （1） 将 Ti 粉（＜50μm）、石墨粉（＜75μm）、Al 粉 （＜75μm）按一定比例在混粉机内混合均匀并压 制成●20mm×25mm 的预制块备用；（2） 将坩埚 中的7075铝合金升温至900℃用石墨钟罩将规 定量的 Ti—C—Al 预制块压入此合金熔液中通过 原位反应生成 TiC 颗粒适当搅拌使其更加均匀 地分布于合金熔体中．待反应完成后降温至730 ℃并用六氯乙烷和氟硅酸钠精炼除气；（3） 熔体 再次被升温至810℃时进行喷射成形．具体喷射 沉积工艺参数为：雾化气体为 N2雾化气体压力 0∙6～0∙8MPa过热度150～175℃沉积距离 400mm导流管直径3∙0mm．采用相同的工艺条 件下制备不含 TiC 颗粒的7075铝合金作为对比 基准． 采用 Cambridge—S250型扫描电镜（SEM）观 察试样的微观组织应用 Image Tool 软件及平均 截线法统计平均晶粒尺寸． 2 实验结果与分析 图1（a）（b）分别是喷射沉积7075和 TiCp／ 7075铝合金的沉积态组织由均匀细小的等轴晶 粒组成．这是由于在喷射沉积过程中一方面高 压氮气气流与熔体强烈的对流换热使得合金凝 固时获得很高的冷却速度（103～104 K·s —1）；另 一方面是雾化气体与雾化的合金液滴之间的动能 交换使雾滴获得很高的运动速度根据模拟计算 结果［8］表明其速度为50～100m·s —1具有较高 动能的雾滴撞击基板或沉积表面其冲击动能所 产生的剪切应力将合金液滴和沉积表层的枝晶打 碎形成细小的非枝晶组织． Lavernia 等人对不同材料的喷射沉积组织进 行的大量的研究表明［9］尽管实验条件不同材 料成分不同但其沉积态的微观组织总是以等轴 晶粒形态出现尺寸范围约为10～50μm．经统 计在本研究中喷射沉积7075铝合金的平均晶粒 尺寸为20μm喷射沉积 TiCp／7075铝合金的平均 晶粒尺寸小于8μm可见后者的组织被显著地细 化了其细化率已达到60％考虑到统计的误差 第28卷 第4期 2006年 4月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．28No．4 Apr．2006 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2006．04．014
.370 北京科技大学学报 2006年第4期 081 图1铝合金沉积态组织.(a)7075铝合金；(b)TC,/7075铝合金 Fig-1 Microstructures of as-spray formed 7075 Al alloy (a)and TiCp/7075 Al alloy (b) 按最保守的说法也已接近50%， 尔滋蔓常数，h为谱朗克常数，T为过冷温度， 观察发现，未加颗粒的喷射沉积7075铝合金 △GA为结晶激活能，△T为过冷度，Hs为凝固潜 的组织（图1(a)中无弥散分布的颗粒相或者说 热，6为固液界面能，To为平衡凝固温度. 析出物，部分金属间化合物在晶界上析出，使得晶 (2)非均匀形核速度 界比较清楚，而原位反应TC颗粒的加入，使得 16xf(0T 晶界变得模糊，颗粒和析出物弥散分布于整个基 =纷 exp 3k△TH长TJ 体中，晶粒被进一步均匀化的同时平均晶粒尺寸 (2) 明显减小了（见图1(b)·这是由于TC颗粒属于 式中，Ns为与形核剂的单位面积相接触的合金 陶瓷相，其熔点高，热稳定性强，所以在喷射沉积 原子数，S,为单位体积合金液中的形核剂的表面 过程中TC的细小颗粒始终以固态形式存在， 积.f(为平衡角函数，可示为以下形式： 2.1形核属性及形核速度 f(=(2+cms01-ms02 在本研究中，喷射沉积7075铝合金的凝固过 4 (3) 程中不存在已有的固态表面可供合金依附，因为 cos0=LcOsc OsL (4) 在7075铝合金中虽然存在少量的Mg2Zn3和 CuA2等物相]，但它们的熔点较低，在合金的喷 式中，c为合金液与形核剂之间的界面能，sc为 凝固合金与形核剂之间的界面能 射沉积温度条件下，只能以液体形式存在，不能形 2.2形核过程的晶体学分析 成固体表面，因此绝大部分晶核是通过快速冷却 合金液中的TC颗粒（形核剂）的形核能力 速度的过冷作用下，自发形成的，然而添加原位 取决与颗粒与基体合金之间的界面能的大小.而 TiC颗粒的7075铝合金的凝固条件就有所不同， 影响两者界面能的因素很多，例如颗粒的化学性 因为原位TiC颗粒的熔点高、热稳定性强，在合 能及其拓扑关系，晶核与颗粒（形核剂）之间的静 金喷射沉积温度下，已经以固态形式弥散分布于 电位和原子排列错配度等，其中前三种因素难以 合金基体中，构成了合金凝固时非均匀形核的重 进行定量分析，原子排列错配度可用下面的式 要条件，可以认为，原位TC颗粒的存在起到形 子山进行计算： 核剂的作用，在相同的喷射沉积条件下，相比上 I(d[uvw licos 0)-d[uvw il 述两种铝合金的凝固速度，很显然后者远远高于 d[uvw]品 前者，因此组织得到进一步的细化效果 8.=月 "(。 3 (5) 形核理论的研究中曾有学者]将上述不同 式中，(hkl),为基体材料的低指数晶面，[uvw] 状态的形核速度表示如下， 为(hk),晶面上的低指数方向，(hkl)a为低指数 (1)均匀形核速度 形核面，[uvw]n为(hkl)n晶面上的低指数方向， △GA 'hom=Nof任exp一kT 16r6T6] d(ww]为沿着[uvw]方向上的原子间距， exp 3k△T2HT) d[uvw]n为沿着[uvw]n方向上的原子间距， (1) 对应公式(5)，Al和TiC的相关参数列入表1 式中，No为单位体积合金液中的原子数，k为波 中，将这些参数代入上述的原子排列计算公式后
图1 铝合金沉积态组织．（a）7075铝合金；（b） TiCp／7075铝合金 Fig．1 Microstructures of as-spray formed7075Al alloy （a） and TiCP／7075Al alloy （b） 按最保守的说法也已接近50％． 观察发现未加颗粒的喷射沉积7075铝合金 的组织（图1（a））中无弥散分布的颗粒相或者说 析出物部分金属间化合物在晶界上析出使得晶 界比较清楚．而原位反应 TiC 颗粒的加入使得 晶界变得模糊颗粒和析出物弥散分布于整个基 体中晶粒被进一步均匀化的同时平均晶粒尺寸 明显减小了（见图1（b））．这是由于 TiC 颗粒属于 陶瓷相其熔点高热稳定性强所以在喷射沉积 过程中 TiC 的细小颗粒始终以固态形式存在． 2∙1 形核属性及形核速度 在本研究中喷射沉积7075铝合金的凝固过 程中不存在已有的固态表面可供合金依附因为 在7075铝合金中虽然存在少量的 Mg2Zn3 和 CuAl2 等物相［6］但它们的熔点较低在合金的喷 射沉积温度条件下只能以液体形式存在不能形 成固体表面．因此绝大部分晶核是通过快速冷却 速度的过冷作用下自发形成的．然而添加原位 TiC 颗粒的7075铝合金的凝固条件就有所不同 因为原位 TiC 颗粒的熔点高、热稳定性强在合 金喷射沉积温度下已经以固态形式弥散分布于 合金基体中构成了合金凝固时非均匀形核的重 要条件．可以认为原位 TiC 颗粒的存在起到形 核剂的作用．在相同的喷射沉积条件下相比上 述两种铝合金的凝固速度很显然后者远远高于 前者因此组织得到进一步的细化效果． 形核理论的研究中曾有学者［10］将上述不同 状态的形核速度表示如下． （1） 均匀形核速度 V hom＝ N0 kT h exp — ΔGA kT exp — 16πσ 2 SL T 2 0 3kΔT 2H 2 S T （1） 式中N0 为单位体积合金液中的原子数k 为波 尔滋蔓常数h 为谱朗克常数T 为过冷温度 ΔGA 为结晶激活能ΔT 为过冷度HS 为凝固潜 热σSL为固液界面能T0 为平衡凝固温度． （2） 非均匀形核速度 Vhet＝NS S0 kT h exp — ΔGA kT exp — 16πf（θ）σ 2 SL T 2 0 3kΔT 2H 2 S T （2） 式中NS 为与形核剂的单位面积相接触的合金 原子数S0 为单位体积合金液中的形核剂的表面 积．f （θ）为平衡角函数可示为以下形式： f （θ）＝ （2＋cosθ）（1—cosθ） 2 4 （3） cosθ＝ σLC—σSC σSL （4） 式中σLC为合金液与形核剂之间的界面能σSC为 凝固合金与形核剂之间的界面能． 2∙2 形核过程的晶体学分析 合金液中的 TiC 颗粒（形核剂）的形核能力 取决与颗粒与基体合金之间的界面能的大小．而 影响两者界面能的因素很多例如颗粒的化学性 能及其拓扑关系晶核与颗粒（形核剂）之间的静 电位和原子排列错配度等．其中前三种因素难以 进行定量分析原子排列错配度可用下面的式 子［11］进行计算： δ （hkl） s （hkl） n ＝∑ 3 i＝1 ｜（d［ uvw ］ i scosθ）—d［ uvw ］ i n｜ d［ uvw ］ i n 3 （5） 式中（ hkl）s 为基体材料的低指数晶面［ uvw ］s 为（ hkl）s 晶面上的低指数方向（ hkl）n 为低指数 形核面［ uvw ］n 为（ hkl）n 晶面上的低指数方向 d（ uv w ］s 为沿着 ［ uvw ］s 方向上的原子间距 d［ uvw ］n为沿着［ uvw ］n 方向上的原子间距． 对应公式（5）Al 和 TiC 的相关参数列入表1 中将这些参数代入上述的原子排列计算公式后 ·370· 北 京 科 技 大 学 学 报 2006年第4期
Vol.28 No.4 刘慧敏等：原位TC颗粒细化喷射沉积7075铝合金组织的机理 371 得到的计算结果也列入了表1中 表1C颗粒与A!基体的原子排列错配度计算数据与结果 Table 1 Planar mismatch of TiC particles and Al matrix 状态 [hk]. [hkl] d[hkl ]/nm d[hkl]/nm e/() d[hkl].cos0/nm 6/% [001]rc [001]u 0.43285 0.40494 0 0.43285 (100)Tc∥(100)u [011]rc [O11]M 0.30607 0.28634 0 0.30607 6.892 [OIO]c [0i0]u 0.43285 0.40494 0 0.43285 [001]rG [001]u 0.43285 0.40494 0 0.43285 (100)Tc∥(110)u [011]re [111]u 0.30607 0.70133 9.73 0.30167 38.35 [010]rc [1i0]w 0.43285 0.28634 0 0.43285 [001]rc [011]w 0.43285 0.28634 30 0.37486 (100)re∥(111)M [011]rc [12]u 0.30607 0.49595 15 0.29564 40.82 [010]rc [1i0]u 0.43285 0.28634 0 0.43285 [001]c [001]u 0.43285 0.40494 0 0.43285 (110rc∥(100)u [111]re [011]w 0.74972 0.28634 9.73 0.73894 63.12 [110]re [0i0]u 0.30607 0.40494 0 0.30607 [001]c [O01]u 0.43285 0.40494 0 0.43285 (110)e∥(110)u [1I1]rc [1i1]u 0.74972 0.70133 0 0.74972 6.927 [1i0]c [110]u 0.30607 0.28634 0 0.30607 [001]rc [OI1]N 0.43285 0.28634 30 0.37486 (110)Tc∥(111)n [111]re [121]N 0.74972 0.49595 5.27 0.74655 29.44 [110]rx [1i0]w 0.30607 0.28634 0 0.30607 [011]rc [001]u 0.30607 0.40494 30 0.26506 (11)Te∥(100)u [121]rc [011]w 0.53014 0.28634 15 0.51208 45.93 [110]re [010]A 0.30607 0.40494 0 0.30607 [011]rc [001]u 0.30607 0.40494 30 0.26506 (111)Tc∥(110)M [121]rc [111]N 0.53014 0.70133 5.27 0.52790 22.05 [110]rc [110]u 0.30607 0.28634 0.30607 [OI1]re [OII]N 0.30607 0.28634 0 0.30607 (111)rc∥(111)u [121]e [121]u 0.53014 0.49595 0 0.53014 6.892 [110]re [1i0]u 0.30607 0.28634 0 0.30607 由计算结果可知，原位TiC颗粒与基体Al之 ∥(111)u,图2中给出其示意图.加之TiC颗粒 间错配度较小的状态有三种情形，分别为 和A1基体的晶体均属于面心立方结构，而且晶格 (100)mc∥(100)A(110)rc∥(110)Au和(111)rc 常数相差很小，A1原子很容易附着于TiC颗粒的 0011 0011 0111 011 1211 -[1i0] -f1i0] (a)(100)c/100)A8-6.892% (b)(110)/110)8=6.927% (c111)c/111)AM6-6.892% 图2TiC颗粒与基体A1之间的原子排列错配度示意图.(a)(100)mc与(100)u:(b)(I10)mc与(110)u:(c)(111)mc与(111)u Fig.2 Crystallographic relationship at the interface between the (100)ncand the (100)(a),the (110)ncand the (110)(b),and the (111)ncand the (111)u(c)
得到的计算结果也列入了表1中． 表1 TiC 颗粒与 Al 基体的原子排列错配度计算数据与结果 Table1 Planar mismatch of TiC particles and Al matrix 状态 ［ hkl］s ［ hkl］ n d［ hkl］s／nm d［ hkl］ n／nm θ／（°） d［ hkl］scosθ／nm δ／％ ［001］ TiC ［001］Al 0∙43285 0∙40494 0 0∙43285 （100）TiC∥（100）Al ［01 —1］ TiC ［01 —1］Al 0∙30607 0∙28634 0 0∙30607 6∙892 ［01 —0］ TiC ［01 —0］Al 0∙43285 0∙40494 0 0∙43285 ［001］ TiC ［001］Al 0∙43285 0∙40494 0 0∙43285 （100）TiC∥（110）Al ［01 —1］ TiC ［11 —1］Al 0∙30607 0∙70133 9∙73 0∙30167 38∙35 ［01 —0］ TiC ［11 —0］Al 0∙43285 0∙28634 0 0∙43285 ［001］ TiC ［01 —1］Al 0∙43285 0∙28634 30 0∙37486 （100）TiC∥（111）Al ［01 —1］ TiC ［12 —1］Al 0∙30607 0∙49595 15 0∙29564 40∙82 ［01 —0］ TiC ［11 —0］Al 0∙43285 0∙28634 0 0∙43285 ［001］ TiC ［001］Al 0∙43285 0∙40494 0 0∙43285 （110）TiC∥（100）Al ［11 —1］ TiC ［01 —1］Al 0∙74972 0∙28634 9∙73 0∙73894 63∙12 ［11 —0］ TiC ［01 —0］Al 0∙30607 0∙40494 0 0∙30607 ［001］ TiC ［001］Al 0∙43285 0∙40494 0 0∙43285 （110）TiC∥（110）Al ［11 —1］ TiC ［11 —1］Al 0∙74972 0∙70133 0 0∙74972 6∙927 ［11 —0］ TiC ［11 —0］Al 0∙30607 0∙28634 0 0∙30607 ［001］ TiC ［01 —1］Al 0∙43285 0∙28634 30 0∙37486 （110）TiC∥（111）Al ［11 —1］ TiC ［12 —1］Al 0∙74972 0∙49595 5∙27 0∙74655 29∙44 ［11 —0］ TiC ［11 —0］Al 0∙30607 0∙28634 0 0∙30607 ［01 —1］ TiC ［001］Al 0∙30607 0∙40494 30 0∙26506 （111）TiC∥（100）Al ［12 —1］ TiC ［01 —1］Al 0∙53014 0∙28634 15 0∙51208 45∙93 ［11 —0］ TiC ［01 —0］Al 0∙30607 0∙40494 0 0∙30607 ［01 —1］ TiC ［001］Al 0∙30607 0∙40494 30 0∙26506 （111）TiC∥（110）Al ［12 —1］ TiC ［11 —1］Al 0∙53014 0∙70133 5∙27 0∙52790 22∙05 ［11 —0］ TiC ［11 —0］Al 0∙30607 0∙28634 0 0∙30607 ［01 —1］ TiC ［01 —1］Al 0∙30607 0∙28634 0 0∙30607 （111）TiC∥（111）Al ［12 —1］ TiC ［12 —1］Al 0∙53014 0∙49595 0 0∙53014 6∙892 ［11 —0］ TiC ［11 —0］Al 0∙30607 0∙28634 0 0∙30607 图2 TiC 颗粒与基体 Al 之间的原子排列错配度示意图．（a） （100）TiC与（100）Al；（b） （110）TiC与（110）Al；（c） （111）TiC与（111）Al Fig．2 Crystallographic relationship at the interface between the （100）TiC and the （100）Al（a）the （110）TiC and the （110）Al（b）and the （111）TiC and the （111）Al（c） 由计算结果可知原位 TiC 颗粒与基体 Al 之 间错 配 度 较 小 的 状 态 有 三 种 情 形分 别 为 （100）TiC∥（100）Al（110）TiC∥（110）Al和（111）TiC ∥（111）Al图2中给出其示意图．加之 TiC 颗粒 和 Al 基体的晶体均属于面心立方结构而且晶格 常数相差很小Al 原子很容易附着于 TiC 颗粒的 Vol．28No．4 刘慧敏等： 原位 TiC 颗粒细化喷射沉积7075铝合金组织的机理 ·371·
.372 北京科技大学学报 2006年第4期 表面，形核并长大.原位TiC颗粒的这一细化效 合金触变成形的影响，北京科技大学学报，2004,26(4)： 果与其分布、尺寸和数量都有关，而在本文中通过 391 [3]刘慧敏，呼努斯图，崔华，等.原位颗粒含量对半固态7075 原位反应法合成的TC颗粒尺寸一般在微米级， 铝合金组织的影响.北京科技大学学报，2004,26(1)：59 而且其弥散分布程度较好2]，这些条件都有利于 [4)孟繁琴，张淑英.喷射沉积2024/SiCW复合材料的微观组 提高合金非均匀形核速度，从而起到了细化组织 织及界面结构.中国有色金属学报，1998,3：410 的作用 [5)沈军，宋广生，曾松岩，等.雾化沉积高强铝合金材料的组 织与性能.中国有色金属学报，1994,6：82 3结论 [6们韦强，熊柏青，张永安，等.喷射成形A一Zm一MgCu系高强 铝合金的组织与性能.中国有色金属学报，2001,4：279 原位TiC颗粒对7075铝合金的沉积态组织 [7] Meyer O.Fritsching U,Bauchage K.Numerical investigation 具有显著的细化作用，采用原位反应喷射沉积法 of alternative process conditions for influencing the thermal 能够制备优质的TiC,/7075沉积态坯料.其细化 history of spray deposited billets.Int J Therm Sci.2003.42: 机理主要为：颗粒和基体的晶体结构相同，晶格常 153 数相差甚微，二者原子错配度较小的情形有三种； [8] Evangelos T,Antonios Z.A comparative characterization of nearequiaxed microstructures as produced by spray casting. 原位颗粒在基体合金凝固时已经以固态形式均匀 magnetohydrodynamic casting and the stress induced melt ac- 分布于合金熔液中起到形核剂的作用.本实验为 tived process.Mater Sci Eng A.2000.289:217 发展或形成其他优质的材料制备方法提供了参 [9]Errique J,Lavernia E J.Yue W.Spray Atomization and Depo 考，可以推广到其他合金体系和不同种类颗粒的 sition.New York:John Wiley 8.Sons,1996:368 应用中 [10]Bruce L.Bramft T.The effect of carbide and nitride additions on the heterogeneous nucleation behavior of liquid iron.Met- 参考文献 all Trans,1970,1,1987 [11]大桥彻郎，广本健，藤井博务.铁)不均匀核生成仁书上 [1]孙剑飞，沈军，贾均，等.喷射成形一一种先进的金属热 (使寸酸化物)影响.铁上钢，1976,6：614 成形技术.材料开发与应用.1999,14(2)：42 [12]杨滨，王锋，段先进，等，熔铸一原位反应喷射成形7075/ [2]刘慧敏，程军胜，崔华，等.温度对喷射成形7075十TC铝 TiC复合材料的拉伸性能.金属学报，2001,37(3)：311 Refinement mechanism of in situ TiC particles on the microstructure of spray formed 7075 Al alloys LIU Huimin2),HAO Bin2,YANG Bin2),ZHANG Jishan2) 1)School of Materials Science and Engineering.Inner Mongolia University of Technology.Huhehaote 010062.China 2)State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT The microstructure of an in-situ reactive spray formed TiCp/7075(TiCp=2.91%in volume fraction)Al alloy was observed using SEM.The grain sizes were measured by Image Tool software and a mean linear intercept method and compared with that of spray formed 7075 Al alloys.The result showed that the grain size of the former alloy was decreased 50%compared to the later.It is indicated that in situ TiC particles play a significant role on refining the microstructure of spray formed 7075 Al alloys.The re- finement mechanism was interpreted from nucleation attribute,nucleation velocity and crystallographic analysis in nucleation process. KEY WORDS 7075 Al alloy:in-situ TiC particles;spray forming;microstructure
表面形核并长大．原位 TiC 颗粒的这一细化效 果与其分布、尺寸和数量都有关而在本文中通过 原位反应法合成的 TiC 颗粒尺寸一般在微米级 而且其弥散分布程度较好［12］这些条件都有利于 提高合金非均匀形核速度从而起到了细化组织 的作用． 3 结论 原位 TiC 颗粒对7075铝合金的沉积态组织 具有显著的细化作用采用原位反应喷射沉积法 能够制备优质的 TiCp／7075沉积态坯料．其细化 机理主要为：颗粒和基体的晶体结构相同晶格常 数相差甚微二者原子错配度较小的情形有三种； 原位颗粒在基体合金凝固时已经以固态形式均匀 分布于合金熔液中起到形核剂的作用．本实验为 发展或形成其他优质的材料制备方法提供了参 考可以推广到其他合金体系和不同种类颗粒的 应用中． 参 考 文 献 ［1］ 孙剑飞沈军贾均等．喷射成形———一种先进的金属热 成形技术．材料开发与应用199914（2）：42 ［2］ 刘慧敏程军胜崔华等．温度对喷射成形7075＋TiC 铝 合金触变成形的影响．北京科技大学学报200426（4）： 391 ［3］ 刘慧敏呼努斯图崔华等．原位颗粒含量对半固态7075 铝合金组织的影响．北京科技大学学报200426（1）：59 ［4］ 孟繁琴张淑英．喷射沉积2024／SiCW 复合材料的微观组 织及界面结构．中国有色金属学报19983：410 ［5］ 沈军宋广生曾松岩等．雾化沉积高强铝合金材料的组 织与性能．中国有色金属学报19946：82 ［6］ 韦强熊柏青张永安等．喷射成形 Al—Zn—Mg—Cu 系高强 铝合金的组织与性能．中国有色金属学报20014：279 ［7］ Meyer OFritsching UBauchage K．Numerical investigation of alternative process conditions for influencing the thermal history of spray deposited billets．Int J Therm Sci200342： 153 ［8］ Evangelos TAntonios Z．A comparative characterization of nea-r equiaxed microstructures as produced by spray casting magnetohydrodynamic casting and the stress induced melt actived process．Mater Sci Eng A2000289：217 ［9］ Errique JLavernia E JYue W．Spray Atomization and Deposition．New York：John Wiley ＆ Sons1996：368 ［10］ Bruce LBramft T．The effect of carbide and nitride additions on the heterogeneous nucleation behavior of liquid iron．Metall Trans19701：1987 ［11］ 大桥彻郎广本健藤井博务．铁の不均匀核生成におよ ぼす酸化物の影响．铁と钢19766：614 ［12］ 杨滨王锋段先进等．熔铸—原位反应喷射成形7075／ TiC 复合材料的拉伸性能．金属学报200137（3）：311 Refinement mechanism of in-situ TiC particles on the microstructure of spray formed7075Al alloys LIU Huimin 12）HAO Bin 2）Y A NG Bin 2）ZHA NG Jishan 2） 1） School of Materials Science and EngineeringInner Mongolia University of TechnologyHuhehaote010062China 2） State Key Laboratory for Advanced Metals and MaterialsUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT The microstructure of an in-situ reactive spray formed TiCP／7075（TiCP＝2∙91％ in volume fraction） Al alloy was observed using SEM．The grain sizes were measured by Image Tool software and a mean linear intercept method and compared with that of spray formed7075Al alloys．The result showed that the grain size of the former alloy was decreased50％ compared to the later．It is indicated that in-situ TiC particles play a significant role on refining the microstructure of spray formed7075Al alloys．The refinement mechanism was interpreted from nucleation attributenucleation velocity and crystallographic analysis in nucleation process． KEY WORDS 7075Al alloy；in-situ TiC particles；spray forming；microstructure ·372· 北 京 科 技 大 学 学 报 2006年第4期