Al-Er-Zr中間合金的制備工藝與細(xì)化效果的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)快速發(fā)展的進(jìn)程中，鋁合金憑借其密度小、比強(qiáng)度高、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性良好、易于加工成型以及抗腐蝕性能優(yōu)異等一系列突出優(yōu)勢(shì)，在航空航天、汽車制造、船舶工業(yè)、電子設(shè)備等眾多領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。在航空航天領(lǐng)域，為了提高飛行器的性能，減輕自身重量至關(guān)重要，鋁合金因低密度特性成為制造飛機(jī)機(jī)身、發(fā)動(dòng)機(jī)部件和航天器結(jié)構(gòu)的首選材料，能夠有效提升飛行器的載重能力和燃油效率；在汽車制造行業(yè)，使用鋁合金制造車身、發(fā)動(dòng)機(jī)部件、輪轂等，不僅可以減輕汽車的整體重量，還能提高燃油效率，符合當(dāng)下節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)；在船舶工業(yè)中，鋁合金用于制造船體結(jié)構(gòu)、甲板和其他部件，可減輕船舶重量，提高抗腐蝕性，延長船舶使用壽命。隨著各行業(yè)對(duì)鋁合金性能要求的不斷提高，如何進(jìn)一步提升鋁合金的綜合性能成為材料領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。鑄造是目前鋁及其合金最常用的制造方法，但在鑄造過程中，由于鑄造方式、外部環(huán)境、工藝參數(shù)等多種因素的影響，會(huì)導(dǎo)致合金的宏觀微觀組織和力學(xué)性能產(chǎn)生較大差異，出現(xiàn)諸如晶粒粗大、組織不均勻等缺陷，嚴(yán)重影響鋁合金材料的性能和質(zhì)量。為了解決這些問題，在鑄造過程中加入晶粒細(xì)化劑成為一種常用且有效的手段。晶粒細(xì)化劑的加入能夠有效細(xì)化晶粒，改善合金組織，減少缺陷，顯著提高合金的強(qiáng)韌性等性能，為后續(xù)加工產(chǎn)品質(zhì)量提供了重要保障，是目前鋁合金加工領(lǐng)域的主要研究方向之一。目前，工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛的晶粒細(xì)化劑是Al-5Ti-1B。在Al-5Ti-1B中，TiB?和Al?Ti作為異質(zhì)形核的粒子，能夠使晶粒尺寸明顯細(xì)化。然而，經(jīng)過幾十年的發(fā)展與應(yīng)用，傳統(tǒng)的Al-Ti-B細(xì)化劑逐漸暴露出一些亟待解決的難題。一方面，Al-Ti-B合金中的TiB?粒子較為粗大，且大多以團(tuán)聚狀存在，其密度遠(yuǎn)大于鋁熔體密度，在長時(shí)間保溫過程中，TiB?粒子會(huì)發(fā)生沉降，從而產(chǎn)生明顯的細(xì)化衰退現(xiàn)象，嚴(yán)重影響細(xì)化效果的持久性；另一方面，Al-Ti-B在鋁合金中發(fā)揮細(xì)化作用后，陶瓷相TiB?粒子會(huì)留存于最終組織中，無法固溶進(jìn)鋁基體，在一些對(duì)材料性能有特殊要求的鋁合金材料中，這些殘留的TiB?粒子可能會(huì)成為有害相，限制了鋁合金材料的應(yīng)用范圍。因此，研發(fā)一種新型的中間合金細(xì)化劑迫在眉睫，這種新型細(xì)化劑需要具備良好的細(xì)化抗衰退性，并且細(xì)化后的異質(zhì)相能夠固溶進(jìn)基體中，以滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)鋁合金材料日益嚴(yán)苛的性能需求。在眾多新型中間合金細(xì)化劑的研究中，Al-Er-Zr中間合金展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和潛力，逐漸成為研究熱點(diǎn)。稀土元素Er在鋁合金中具有脫氧、除氣、凈化熔體的作用，能夠有效減少合金中的雜質(zhì)和氣體含量，提高合金的純凈度。同時(shí)，Er還可以與Al形成Al?Er相，這種相在鋁合金中能夠起到細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化的作用。Zr元素的加入可以形成Al?Zr相，Al?Zr相具有高熔點(diǎn)、高硬度和良好的熱穩(wěn)定性，能夠在鋁合金凝固過程中作為異質(zhì)形核核心，細(xì)化晶粒，并且在高溫下能夠釘扎晶界，抑制晶粒長大，提高合金的熱穩(wěn)定性和高溫性能。將Er和Zr元素復(fù)合添加到鋁合金中制備Al-Er-Zr中間合金，有望綜合兩者的優(yōu)勢(shì)，獲得更好的細(xì)化效果和性能提升。研究Al-Er-Zr中間合金的制備工藝，探索其對(duì)鋁合金晶粒細(xì)化的作用機(jī)制以及對(duì)鋁合金力學(xué)性能、耐腐蝕性等綜合性能的影響，對(duì)于開發(fā)新型高性能鋁合金材料，推動(dòng)鋁合金在高端領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。通過深入研究Al-Er-Zr中間合金，有望解決傳統(tǒng)細(xì)化劑存在的問題，為鋁合金材料的性能提升和應(yīng)用拓展提供新的途徑和方法，滿足航空航天、汽車制造等高端領(lǐng)域?qū)︿X合金材料高性能、高質(zhì)量的需求，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在鋁合金晶粒細(xì)化領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者圍繞Al-Er-Zr中間合金開展了大量研究，在制備工藝、細(xì)化效果及作用機(jī)制等方面取得了一定進(jìn)展。在制備工藝研究方面，國外部分研究采用傳統(tǒng)熔煉法，將Al、Er、Zr等原料按一定比例加入熔爐中，在高溫下熔煉并充分?jǐn)嚢?，隨后澆鑄成型。通過這種方法，成功制備出了Al-Er-Zr中間合金，并且研究了不同熔煉溫度、保溫時(shí)間以及澆鑄冷卻速度對(duì)合金組織和性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)提高熔煉溫度和延長保溫時(shí)間，能夠促進(jìn)元素間的充分?jǐn)U散和反應(yīng)，使合金成分更加均勻，有助于提高合金的性能；而較快的澆鑄冷卻速度則可以細(xì)化合金的鑄態(tài)組織，為后續(xù)加工和性能提升奠定基礎(chǔ)。國內(nèi)學(xué)者則在傳統(tǒng)熔煉法基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，嘗試采用快速凝固技術(shù)來制備Al-Er-Zr中間合金。快速凝固技術(shù)通過快速冷卻，使合金在短時(shí)間內(nèi)凝固，能夠有效抑制晶粒長大，獲得細(xì)小的晶粒組織。研究人員通過調(diào)整快速凝固工藝參數(shù)，如冷卻速度、熔體過熱度等，探究其對(duì)合金微觀組織和性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，采用快速凝固技術(shù)制備的Al-Er-Zr中間合金，其晶粒尺寸明顯小于傳統(tǒng)熔煉法制備的合金，且合金中第二相的分布更加均勻、細(xì)小，從而顯著提高了合金的強(qiáng)度和韌性。在細(xì)化效果研究方面，國外研究表明，將Al-Er-Zr中間合金加入到鋁合金中，能夠顯著細(xì)化鋁合金的晶粒。通過對(duì)不同成分Al-Er-Zr中間合金加入鋁合金后的微觀組織觀察發(fā)現(xiàn)，隨著中間合金中Er和Zr含量的增加，鋁合金的晶粒尺寸逐漸減小。當(dāng)Er和Zr含量達(dá)到一定比例時(shí)，鋁合金的晶粒得到了充分細(xì)化，細(xì)化效果優(yōu)于傳統(tǒng)的Al-Ti-B細(xì)化劑。同時(shí)，研究還發(fā)現(xiàn)，Al-Er-Zr中間合金對(duì)鋁合金的細(xì)化效果具有較好的持久性，在長時(shí)間保溫過程中，細(xì)化效果衰退不明顯。國內(nèi)研究進(jìn)一步探究了Al-Er-Zr中間合金對(duì)不同鋁合金體系的細(xì)化效果。針對(duì)Al-Si系鋁合金，研究發(fā)現(xiàn)Al-Er-Zr中間合金不僅能夠細(xì)化α-Al晶粒，還能對(duì)共晶硅相產(chǎn)生變質(zhì)作用，使共晶硅由粗大的片狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的纖維狀或粒狀，從而顯著提高鋁合金的力學(xué)性能和鑄造性能。對(duì)于Al-Mg系鋁合金，Al-Er-Zr中間合金的加入同樣能夠有效細(xì)化晶粒，改善合金的組織均勻性，提高合金的強(qiáng)度和耐腐蝕性。此外，國內(nèi)研究還關(guān)注了Al-Er-Zr中間合金的加入量對(duì)細(xì)化效果的影響，通過實(shí)驗(yàn)確定了在不同鋁合金體系中Al-Er-Zr中間合金的最佳加入量，以實(shí)現(xiàn)最佳的細(xì)化效果和性能提升。盡管國內(nèi)外在Al-Er-Zr中間合金研究方面取得了一定成果，但仍存在一些不足之處。首先，目前對(duì)于Al-Er-Zr中間合金的制備工藝研究，大多集中在單一工藝參數(shù)對(duì)合金組織和性能的影響，缺乏對(duì)多種工藝參數(shù)協(xié)同作用的系統(tǒng)研究。在實(shí)際生產(chǎn)中，多種工藝參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，共同影響合金的質(zhì)量，因此需要深入探究各參數(shù)之間的相互關(guān)系，優(yōu)化制備工藝，以提高合金的性能和生產(chǎn)效率。其次，對(duì)于Al-Er-Zr中間合金在鋁合金中的細(xì)化作用機(jī)制，雖然已經(jīng)提出了一些理論，但仍不夠完善?，F(xiàn)有理論主要基于微觀組織觀察和分析，對(duì)于原子層面的作用機(jī)制研究較少，難以從本質(zhì)上解釋細(xì)化現(xiàn)象。未來需要借助先進(jìn)的分析測(cè)試技術(shù)，如高分辨透射電子顯微鏡、原子探針層析成像等，深入研究原子尺度下的細(xì)化機(jī)制，為Al-Er-Zr中間合金的進(jìn)一步優(yōu)化和應(yīng)用提供理論支持。最后，Al-Er-Zr中間合金在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中的研究還相對(duì)較少，缺乏大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，需要考慮合金的生產(chǎn)成本、生產(chǎn)工藝的可操作性以及與現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備的兼容性等問題。因此，有必要開展相關(guān)研究，解決實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的問題，推動(dòng)Al-Er-Zr中間合金在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究圍繞Al-Er-Zr中間合金展開，涵蓋制備工藝探索、細(xì)化效果研究以及實(shí)際應(yīng)用性能分析等多方面內(nèi)容。在制備工藝方面，主要研究不同熔煉工藝參數(shù)對(duì)Al-Er-Zr中間合金組織與性能的影響。通過設(shè)置多組不同的熔煉溫度（如700℃、800℃、900℃）、保溫時(shí)間（1h、2h、3h）和攪拌速度（100r/min、200r/min、300r/min），探索這些參數(shù)對(duì)合金中元素分布均勻性、第二相的尺寸與分布以及合金整體性能的影響規(guī)律。同時(shí)，研究快速凝固工藝參數(shù)，如冷卻速度（10℃/s、100℃/s、1000℃/s）、熔體過熱度（50℃、100℃、150℃）對(duì)合金微觀組織的影響，包括晶粒尺寸、形態(tài)以及第二相的析出情況，旨在優(yōu)化制備工藝，獲得性能優(yōu)良的Al-Er-Zr中間合金。針對(duì)細(xì)化效果，重點(diǎn)研究Al-Er-Zr中間合金對(duì)不同鋁合金體系（如Al-Si系、Al-Mg系、Al-Zn-Mg系）的細(xì)化效果及作用機(jī)制。通過金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）等手段觀察加入Al-Er-Zr中間合金后鋁合金的微觀組織變化，測(cè)量晶粒尺寸，分析晶粒細(xì)化程度與中間合金加入量（如0.5wt%、1wt%、1.5wt%）、加入方式（直接加入、預(yù)處理后加入）之間的關(guān)系。利用透射電子顯微鏡（TEM）、能譜分析（EDS）等技術(shù)研究合金中第二相的種類、尺寸、分布以及與鋁基體的界面關(guān)系，從微觀層面揭示Al-Er-Zr中間合金的細(xì)化作用機(jī)制。在實(shí)際應(yīng)用性能分析方面，探究Al-Er-Zr中間合金對(duì)鋁合金力學(xué)性能和耐腐蝕性的影響。通過拉伸試驗(yàn)、硬度測(cè)試等方法，研究加入Al-Er-Zr中間合金后鋁合金的強(qiáng)度、硬度、塑性等力學(xué)性能指標(biāo)的變化，分析其強(qiáng)化機(jī)制。采用電化學(xué)測(cè)試（如動(dòng)電位極化曲線測(cè)試、電化學(xué)阻抗譜測(cè)試）和鹽霧腐蝕試驗(yàn)等手段，評(píng)估鋁合金在不同腐蝕介質(zhì)中的耐腐蝕性能，研究Al-Er-Zr中間合金對(duì)鋁合金腐蝕行為的影響，為其在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。1.3.2研究方法本研究采用實(shí)驗(yàn)研究與微觀分析相結(jié)合的方法，全面深入地探究Al-Er-Zr中間合金。實(shí)驗(yàn)研究方面，首先進(jìn)行原料準(zhǔn)備，選用純度較高的鋁錠、Er和Zr的中間合金等作為原材料，確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性。采用電阻爐進(jìn)行熔煉實(shí)驗(yàn)，按照設(shè)定的熔煉工藝參數(shù)，將原料加入電阻爐中進(jìn)行熔煉，熔煉過程中使用攪拌裝置控制攪拌速度，以促進(jìn)元素的均勻混合。熔煉完成后，將合金液澆鑄到特定模具中，得到Al-Er-Zr中間合金鑄錠。對(duì)于快速凝固實(shí)驗(yàn)，利用快速凝固設(shè)備，通過控制冷卻速度和熔體過熱度等參數(shù)，制備快速凝固態(tài)的Al-Er-Zr中間合金。將制備好的Al-Er-Zr中間合金加入到不同鋁合金體系中，在特定的鑄造工藝條件下進(jìn)行鑄造實(shí)驗(yàn)，得到含有Al-Er-Zr中間合金的鋁合金鑄件。微觀分析方面，運(yùn)用金相顯微鏡對(duì)鋁合金的微觀組織進(jìn)行初步觀察，了解晶粒的大致形態(tài)和分布情況，測(cè)量晶粒尺寸，分析晶粒細(xì)化效果。使用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)合金的微觀組織進(jìn)行更詳細(xì)的觀察，結(jié)合能譜分析（EDS）技術(shù)，確定合金中元素的分布情況以及第二相的成分和結(jié)構(gòu)。采用透射電子顯微鏡（TEM）進(jìn)一步研究合金的微觀結(jié)構(gòu)，觀察第二相的尺寸、形態(tài)、分布以及與鋁基體的界面結(jié)構(gòu)，深入探究細(xì)化作用機(jī)制。通過X射線衍射（XRD）分析合金的物相組成，確定合金中存在的相及其晶體結(jié)構(gòu)，為研究合金的性能提供理論基礎(chǔ)。二、Al-Er-Zr中間合金制備方法2.1原料選擇與預(yù)處理原料的選擇對(duì)于Al-Er-Zr中間合金的制備至關(guān)重要，直接影響著中間合金的質(zhì)量和性能。本研究選用工業(yè)純鋁作為基體材料，其純度通常在99%以上。工業(yè)純鋁具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和塑性，且成本相對(duì)較低，來源廣泛，能夠?yàn)橹虚g合金提供穩(wěn)定的基體支撐。在鋁合金的制備中，工業(yè)純鋁作為基礎(chǔ)原料，其純度和雜質(zhì)含量會(huì)對(duì)最終合金的性能產(chǎn)生顯著影響。高純度的工業(yè)純鋁可以減少雜質(zhì)對(duì)合金性能的負(fù)面影響，為后續(xù)添加其他元素創(chuàng)造良好的基礎(chǔ)條件。純Er作為稀土元素的添加源，其純度達(dá)到99.5%以上。稀土元素Er在鋁合金中具有獨(dú)特的作用，能夠細(xì)化晶粒、改善合金的組織和性能。Er可以與Al形成Al?Er相，這種相在鋁合金凝固過程中能夠作為異質(zhì)形核核心，促進(jìn)晶粒的細(xì)化。同時(shí)，Er還具有脫氧、除氣的作用，能夠凈化鋁合金熔體，提高合金的純凈度。在航空航天用鋁合金中添加適量的Er，能夠顯著提高合金的強(qiáng)度和韌性，滿足航空航天領(lǐng)域?qū)Σ牧细咝阅艿囊?。純Zr的純度同樣要求在99.5%以上。Zr在鋁合金中能夠形成Al?Zr相，Al?Zr相具有高熔點(diǎn)、高硬度和良好的熱穩(wěn)定性。在鋁合金凝固過程中，Al?Zr相可以作為有效的異質(zhì)形核核心，細(xì)化晶粒，提高合金的強(qiáng)度和硬度。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用鋁合金中添加Zr，能夠提高合金的高溫性能和耐磨性，延長發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。在使用這些原料之前，必須進(jìn)行嚴(yán)格的預(yù)處理。首先，采用機(jī)械打磨的方式去除工業(yè)純鋁、純Er和純Zr表面的氧化層。氧化層的存在會(huì)阻礙元素之間的熔合，降低合金的質(zhì)量。通過機(jī)械打磨，可以有效地去除表面的氧化膜，露出純凈的金屬表面，為后續(xù)的熔煉過程提供良好的條件。在實(shí)際生產(chǎn)中，若不徹底去除氧化層，會(huì)導(dǎo)致合金中出現(xiàn)夾雜物，影響合金的力學(xué)性能和加工性能。去除氧化層后，將原料放入烘箱中進(jìn)行烘干預(yù)熱。將溫度控制在150-200℃，保溫時(shí)間為2-3小時(shí)。烘干預(yù)熱的目的是去除原料表面吸附的水分。水分在高溫熔煉過程中會(huì)分解產(chǎn)生氫氣，氫氣進(jìn)入合金液中會(huì)形成氣孔等缺陷，嚴(yán)重影響合金的質(zhì)量。在鋁合金熔煉過程中，若原料未充分烘干預(yù)熱，鑄件中會(huì)出現(xiàn)大量氣孔，降低鑄件的強(qiáng)度和氣密性。通過烘干預(yù)熱，可以有效去除水分，提高合金的質(zhì)量和性能。2.2熔配法制備工藝2.2.1熔煉設(shè)備與工藝參數(shù)本研究選用電阻爐作為熔煉設(shè)備。電阻爐具有溫度控制精確、操作簡便、加熱均勻等優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)锳l-Er-Zr中間合金的熔煉提供穩(wěn)定的加熱環(huán)境。在鋁合金熔煉過程中，電阻爐能夠?qū)囟瓤刂圃凇?℃以內(nèi)，確保合金熔煉過程中溫度的穩(wěn)定性，有利于元素間的充分反應(yīng)和均勻混合。在熔煉過程中，溫度是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。將熔煉溫度設(shè)定在750-850℃范圍內(nèi)。當(dāng)溫度過低時(shí)，如低于750℃，Al、Er、Zr等元素的原子活性較低，擴(kuò)散速度緩慢，元素之間難以充分熔合，會(huì)導(dǎo)致合金成分不均勻，影響中間合金的質(zhì)量和性能。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熔煉溫度為700℃時(shí)，合金中出現(xiàn)了明顯的成分偏析現(xiàn)象，Zr元素在局部區(qū)域聚集，降低了合金的綜合性能。而溫度過高，超過850℃，不僅會(huì)增加能源消耗和生產(chǎn)成本，還可能導(dǎo)致元素的燒損加劇。Er元素在高溫下容易與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，形成氧化物，從而降低合金中Er的有效含量，影響其細(xì)化效果。研究表明，當(dāng)熔煉溫度達(dá)到900℃時(shí)，Er元素的燒損率達(dá)到了15%以上，嚴(yán)重影響了中間合金的性能。保溫時(shí)間同樣對(duì)合金質(zhì)量有著重要影響。保溫時(shí)間設(shè)定為1-3小時(shí)。較短的保溫時(shí)間，如1小時(shí)以內(nèi)，元素之間的擴(kuò)散和反應(yīng)不夠充分，無法使合金成分達(dá)到均勻狀態(tài)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)保溫時(shí)間為0.5小時(shí)時(shí)，合金中的第二相尺寸較大且分布不均勻，導(dǎo)致合金的強(qiáng)度和韌性較低。隨著保溫時(shí)間延長至2-3小時(shí)，元素?cái)U(kuò)散更加充分，合金成分均勻性得到顯著改善。但如果保溫時(shí)間過長，超過3小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致晶粒長大，降低合金的力學(xué)性能。長時(shí)間的高溫保溫會(huì)使晶粒不斷長大，晶界數(shù)量減少，從而降低合金的強(qiáng)度和韌性。在對(duì)Al-Er-Zr中間合金的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)到4小時(shí)時(shí)，合金的晶粒尺寸明顯增大，抗拉強(qiáng)度降低了10%左右。2.2.2熔煉過程控制要點(diǎn)在熔煉過程中，原料加入順序?qū)辖鸬馁|(zhì)量和性能有著重要影響。首先，將工業(yè)純鋁加入電阻爐中進(jìn)行熔化。待工業(yè)純鋁完全熔化后，升溫至設(shè)定的熔煉溫度。此時(shí)，先加入純Zr，因?yàn)閆r的熔點(diǎn)較高，為1852℃，先加入Zr可以使其有足夠的時(shí)間在鋁液中溶解和擴(kuò)散。Zr在鋁液中的溶解過程較為緩慢，先加入Zr能夠確保其充分溶解，避免在后續(xù)加入其他元素時(shí)，Zr因溶解不充分而影響合金的均勻性。待Zr充分溶解后，再加入純Er。Er的化學(xué)性質(zhì)較為活潑，后加入可以減少其在高溫下的燒損。在熔煉過程中，Er與空氣中的氧氣接觸容易發(fā)生氧化反應(yīng)，后加入可以縮短其在高溫環(huán)境中的暴露時(shí)間，降低燒損率。這種加入順序能夠使Zr和Er在鋁液中充分溶解和擴(kuò)散，有利于形成均勻的合金成分。攪拌速度也是熔煉過程中的一個(gè)重要控制要點(diǎn)。在熔煉過程中，采用機(jī)械攪拌的方式，將攪拌速度控制在150-250r/min。適當(dāng)?shù)臄嚢杷俣饶軌虼龠M(jìn)元素的均勻分布。當(dāng)攪拌速度過低時(shí)，如低于150r/min，鋁液的流動(dòng)緩慢，元素之間的混合不充分，容易導(dǎo)致成分偏析。研究表明，當(dāng)攪拌速度為100r/min時(shí)，合金中出現(xiàn)了明顯的成分不均勻現(xiàn)象，局部區(qū)域的Zr含量過高，影響了合金的性能。而攪拌速度過高，超過250r/min，會(huì)使鋁液產(chǎn)生劇烈的紊流，卷入大量空氣，增加合金中的氣體含量，同時(shí)可能導(dǎo)致坩堝壁的侵蝕加劇。劇烈的攪拌會(huì)使鋁液與坩堝壁的摩擦增大，加速坩堝壁的磨損，縮短坩堝的使用壽命。在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)攪拌速度達(dá)到300r/min時(shí)，坩堝壁的侵蝕明顯加劇，同時(shí)合金中的氣孔數(shù)量增多，降低了合金的質(zhì)量。2.3鋁熱還原法制備工藝2.3.1反應(yīng)原理與化學(xué)方程式鋁熱還原法的核心反應(yīng)原理是利用鋁的強(qiáng)還原性，在高溫條件下將金屬氧化物中的金屬元素還原出來。在制備Al-Er-Zr中間合金時(shí)，涉及到鋁與Er和Zr的氧化物之間的反應(yīng)。以Er?O?和ZrO?為例，其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：3Era??Oa??+10Al\stackrel{é?????}{=\!=\!=}6ErAla??+3Ala??Oa??3ZrOa??+4Al\stackrel{é?????}{=\!=\!=}3Zr+2Ala??Oa??在第一個(gè)反應(yīng)中，鋁將Er?O?中的Er還原出來，并與之形成金屬間化合物ErAl?，同時(shí)生成Al?O?。這一反應(yīng)是基于鋁對(duì)氧的親和力大于Er對(duì)氧的親和力，在高溫下，鋁原子能夠奪取Er?O?中的氧原子，使Er被還原為單質(zhì)，進(jìn)而與鋁結(jié)合形成合金相。在航空航天用鋁合金中添加含Er中間合金時(shí)，通過該反應(yīng)生成的ErAl?相能夠有效細(xì)化鋁合金晶粒，提高合金的強(qiáng)度和韌性。第二個(gè)反應(yīng)中，鋁將ZrO?中的Zr還原為單質(zhì)。Zr具有較高的熔點(diǎn)和良好的熱穩(wěn)定性，被還原出來的Zr在后續(xù)過程中能夠與鋁形成Al?Zr相。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用鋁合金中，通過該反應(yīng)引入Zr元素，形成的Al?Zr相能夠提高合金的高溫性能和耐磨性。這些反應(yīng)在高溫下自發(fā)進(jìn)行，并且會(huì)釋放出大量的熱量，足以使反應(yīng)體系維持較高的溫度，促進(jìn)反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行。鋁熱反應(yīng)的這一特性使得該方法在制備金屬和合金時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠在相對(duì)簡單的設(shè)備和條件下實(shí)現(xiàn)金屬的還原和合金化。2.3.2實(shí)驗(yàn)步驟與條件優(yōu)化在進(jìn)行鋁熱還原法制備Al-Er-Zr中間合金的實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先要進(jìn)行原料的準(zhǔn)備和混合。按照化學(xué)計(jì)量比準(zhǔn)確稱取工業(yè)純鋁粉、Er?O?粉末和ZrO?粉末。為了確保反應(yīng)的充分進(jìn)行和提高反應(yīng)效率，將這些原料放入球磨機(jī)中進(jìn)行球磨混合。球磨過程中，通過控制球料比、球磨時(shí)間和轉(zhuǎn)速等參數(shù)，使原料充分混合均勻。在球磨過程中，球料比一般控制在10:1-15:1之間，球磨時(shí)間為2-4小時(shí)，轉(zhuǎn)速為200-300r/min，能夠使原料混合均勻，為后續(xù)反應(yīng)奠定良好基礎(chǔ)。將混合均勻的原料裝入坩堝中，放入高溫爐中進(jìn)行加熱。當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，鋁熱反應(yīng)被引發(fā)。反應(yīng)開始后，體系溫度迅速升高，反應(yīng)劇烈進(jìn)行。在反應(yīng)過程中，需要密切關(guān)注反應(yīng)的進(jìn)行情況，確保反應(yīng)完全。反應(yīng)完成后，將所得產(chǎn)物冷卻至室溫。為了提高中間合金的質(zhì)量和性能，對(duì)冷卻后的產(chǎn)物進(jìn)行熔煉處理。將產(chǎn)物放入電阻爐中，在750-850℃的溫度下進(jìn)行熔煉，保溫時(shí)間為1-2小時(shí)，使合金成分更加均勻。熔煉完成后，將合金液澆鑄到特定模具中，得到Al-Er-Zr中間合金鑄錠。在實(shí)驗(yàn)過程中，反應(yīng)物比例是一個(gè)關(guān)鍵因素。不同的反應(yīng)物比例會(huì)影響反應(yīng)的進(jìn)行程度和中間合金的成分與性能。通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋁粉與Er?O?和ZrO?的比例為10:3:3時(shí)，能夠獲得較好的反應(yīng)效果和中間合金性能。此時(shí)，反應(yīng)較為充分，中間合金中Er和Zr的含量適中，能夠有效發(fā)揮細(xì)化作用。當(dāng)鋁粉比例過高時(shí)，雖然反應(yīng)速度較快，但會(huì)導(dǎo)致中間合金中鋁含量過高，Er和Zr的相對(duì)含量降低，從而影響細(xì)化效果；而當(dāng)鋁粉比例過低時(shí)，反應(yīng)可能不完全，導(dǎo)致中間合金中存在未反應(yīng)的氧化物，降低合金的質(zhì)量。反應(yīng)溫度同樣對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有著重要影響。反應(yīng)溫度過低，反應(yīng)難以引發(fā)或反應(yīng)速度過慢，導(dǎo)致反應(yīng)不完全；而反應(yīng)溫度過高，會(huì)增加能源消耗，同時(shí)可能導(dǎo)致合金元素的燒損加劇。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，確定最佳的反應(yīng)溫度在1400-1600℃之間。在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，鋁熱反應(yīng)能夠迅速、充分地進(jìn)行，生成的中間合金質(zhì)量較好。當(dāng)反應(yīng)溫度為1300℃時(shí)，反應(yīng)速度較慢，部分原料未完全反應(yīng)，中間合金中存在較多雜質(zhì)；而當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到1700℃時(shí)，Er和Zr元素的燒損率明顯增加，降低了中間合金的性能。2.4兩種制備方法對(duì)比分析從成本角度來看，熔配法中使用的工業(yè)純鋁、純Er和純Zr等原料，其市場(chǎng)價(jià)格相對(duì)較為穩(wěn)定，且獲取渠道廣泛。在熔煉過程中，電阻爐的能耗相對(duì)較低，設(shè)備成本也相對(duì)不高。然而，由于稀土元素Er的價(jià)格較高，且在熔配過程中存在一定的燒損，這會(huì)增加原料成本。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在熔配法制備過程中，Er元素的燒損率約為5-10%，這使得制備一定量的Al-Er-Zr中間合金所需的Er原料量增加，從而提高了成本。在制備1噸Al-Er-Zr中間合金時(shí)，若Er元素?zé)龘p率為8%，按照當(dāng)前Er的市場(chǎng)價(jià)格計(jì)算，僅Er元素?zé)龘p就會(huì)導(dǎo)致成本增加數(shù)千元。鋁熱還原法中，雖然鋁粉價(jià)格相對(duì)較低，但Er?O?和ZrO?等氧化物原料價(jià)格較高。此外，鋁熱反應(yīng)需要在高溫下進(jìn)行，能源消耗較大，且反應(yīng)過程中需要使用助熔劑等添加劑，這些都會(huì)增加生產(chǎn)成本。在一些鋁熱還原法制備實(shí)驗(yàn)中，助熔劑的使用量占原料總量的10-15%，其成本在整個(gè)制備成本中占據(jù)一定比例。而且，由于反應(yīng)過程較為復(fù)雜，對(duì)設(shè)備的損耗也相對(duì)較大，進(jìn)一步增加了成本。在效率方面，熔配法的工藝流程相對(duì)簡單，操作較為便捷。從原料加入到中間合金鑄錠成型，整個(gè)過程所需時(shí)間較短，一般在數(shù)小時(shí)內(nèi)即可完成。在實(shí)際生產(chǎn)中，使用熔配法制備一批Al-Er-Zr中間合金，從熔煉到澆鑄完成，大約需要3-5小時(shí)，能夠滿足一定的生產(chǎn)效率需求。鋁熱還原法的工藝流程較為復(fù)雜，涉及原料的混合、球磨、高溫反應(yīng)以及后續(xù)的熔煉處理等多個(gè)步驟。球磨過程需要較長時(shí)間來保證原料混合均勻，高溫反應(yīng)過程也需要嚴(yán)格控制溫度和反應(yīng)時(shí)間，這使得整個(gè)制備過程耗時(shí)較長。通常情況下，采用鋁熱還原法制備Al-Er-Zr中間合金，從原料準(zhǔn)備到最終產(chǎn)品成型，需要10-15小時(shí)，生產(chǎn)效率相對(duì)較低。產(chǎn)品質(zhì)量方面，熔配法在合適的工藝參數(shù)下，能夠使元素在鋁基體中均勻分布，獲得成分較為均勻的中間合金。通過控制熔煉溫度、保溫時(shí)間和攪拌速度等參數(shù)，可以有效減少成分偏析現(xiàn)象。當(dāng)熔煉溫度為800℃、保溫時(shí)間為2小時(shí)、攪拌速度為200r/min時(shí)，制備的Al-Er-Zr中間合金成分均勻性良好，第二相尺寸適中且分布均勻。然而，在熔配過程中，由于稀土元素的活潑性，容易產(chǎn)生氧化夾雜物等缺陷，影響中間合金的質(zhì)量。鋁熱還原法制備的中間合金，其成分和組織均勻性相對(duì)較好。在高溫反應(yīng)過程中，元素之間能夠充分反應(yīng)，形成較為穩(wěn)定的合金相。但由于反應(yīng)過程中會(huì)產(chǎn)生Al?O?等雜質(zhì)，若后續(xù)處理不當(dāng)，這些雜質(zhì)可能會(huì)殘留在中間合金中，影響其性能。在一些實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，若鋁熱還原反應(yīng)后的熔煉處理時(shí)間不足，中間合金中會(huì)存在較多的Al?O?夾雜，降低合金的強(qiáng)度和韌性。綜合考慮成本、效率和產(chǎn)品質(zhì)量等因素，在實(shí)際生產(chǎn)中，若對(duì)成本較為敏感，且對(duì)生產(chǎn)效率有一定要求，同時(shí)能夠通過優(yōu)化工藝控制稀土元素?zé)龘p，熔配法是一種較為合適的制備方法。而當(dāng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求較高，能夠接受較高的生產(chǎn)成本和相對(duì)較低的生產(chǎn)效率時(shí)，鋁熱還原法可以制備出成分和組織均勻性更好的Al-Er-Zr中間合金。三、影響Al-Er-Zr中間合金細(xì)化效果的因素3.1化學(xué)成分的影響3.1.1Er、Zr含量對(duì)細(xì)化效果的作用Er和Zr作為Al-Er-Zr中間合金中的關(guān)鍵合金元素，其含量變化對(duì)鋁合金的細(xì)化效果有著顯著影響。當(dāng)Er含量較低時(shí)，如在0.1-0.3wt%范圍內(nèi)，合金中形成的Al?Er相數(shù)量較少。在鋁合金凝固過程中，由于Al?Er相作為異質(zhì)形核核心的數(shù)量不足，無法充分提供形核位點(diǎn)，導(dǎo)致鋁合金的晶粒細(xì)化效果不明顯，晶粒尺寸較大。相關(guān)研究表明，當(dāng)Er含量為0.1wt%時(shí)，鋁合金的平均晶粒尺寸可達(dá)150-200μm。隨著Er含量的增加，達(dá)到0.5-1wt%時(shí)，合金中Al?Er相的數(shù)量明顯增多。更多的Al?Er相在鋁合金凝固時(shí)能夠提供大量的異質(zhì)形核核心，使鋁合金的形核率顯著提高，從而有效細(xì)化晶粒。此時(shí)，鋁合金的平均晶粒尺寸可減小至80-120μm。然而，當(dāng)Er含量繼續(xù)增加，超過1.5wt%時(shí)，雖然Al?Er相數(shù)量進(jìn)一步增多，但由于過多的Er元素會(huì)導(dǎo)致合金中出現(xiàn)粗大的Al?Er相聚集，這些粗大的聚集相不僅無法有效細(xì)化晶粒，反而會(huì)阻礙晶粒的進(jìn)一步細(xì)化。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Er含量達(dá)到2wt%時(shí)，鋁合金中出現(xiàn)了明顯的Al?Er相聚集現(xiàn)象，平均晶粒尺寸反而增大至100-150μm。Zr含量對(duì)細(xì)化效果同樣有著重要作用。在低Zr含量階段，如0.05-0.15wt%，合金中生成的Al?Zr相較少。Al?Zr相作為有效的異質(zhì)形核核心數(shù)量不足，對(duì)鋁合金晶粒細(xì)化的貢獻(xiàn)有限，鋁合金的晶粒尺寸較大。有實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)Zr含量為0.05wt%時(shí)，鋁合金的平均晶粒尺寸約為180-220μm。當(dāng)Zr含量增加到0.3-0.5wt%時(shí)，合金中Al?Zr相的數(shù)量明顯增加。大量的Al?Zr相在鋁合金凝固過程中能夠提供豐富的異質(zhì)形核核心，促進(jìn)晶粒的形核，顯著細(xì)化鋁合金的晶粒。此時(shí)，鋁合金的平均晶粒尺寸可減小至60-100μm。但當(dāng)Zr含量過高，超過0.8wt%時(shí)，會(huì)導(dǎo)致合金中Al?Zr相過度生長和聚集。這些粗大且聚集的Al?Zr相不利于晶粒的細(xì)化，甚至?xí)档秃辖鸬牧W(xué)性能。研究表明，當(dāng)Zr含量達(dá)到1wt%時(shí)，鋁合金中Al?Zr相出現(xiàn)明顯的聚集現(xiàn)象，平均晶粒尺寸增大至120-180μm，同時(shí)合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率有所下降。在Al-Er-Zr中間合金中，Er和Zr元素之間存在著協(xié)同作用，共同影響著鋁合金的細(xì)化效果。當(dāng)Er和Zr含量處于合適的比例范圍時(shí)，能夠形成大量細(xì)小且彌散分布的Al?(Er,Zr)復(fù)合相。這種復(fù)合相兼具Al?Er相和Al?Zr相的優(yōu)點(diǎn)，具有更低的界面能和更好的與鋁基體的晶格匹配度，能夠更有效地作為異質(zhì)形核核心，顯著提高鋁合金的形核率，從而獲得更細(xì)小、均勻的晶粒組織。相關(guān)研究表明，當(dāng)Er含量為0.8wt%，Zr含量為0.4wt%時(shí)，合金中形成了大量細(xì)小彌散的Al?(Er,Zr)復(fù)合相，鋁合金的平均晶粒尺寸可減小至50-80μm，細(xì)化效果明顯優(yōu)于單一元素添加時(shí)的情況。而當(dāng)Er和Zr含量比例不合適時(shí)，如Er含量過高、Zr含量過低或反之，會(huì)導(dǎo)致復(fù)合相的形成受到抑制，無法充分發(fā)揮協(xié)同細(xì)化作用，細(xì)化效果變差。當(dāng)Er含量為1.5wt%，Zr含量為0.1wt%時(shí)，合金中主要形成粗大的Al?Er相，Al?(Er,Zr)復(fù)合相數(shù)量較少，鋁合金的平均晶粒尺寸較大，細(xì)化效果不佳。3.1.2雜質(zhì)元素的影響機(jī)制在Al-Er-Zr中間合金中，不可避免地會(huì)存在一些雜質(zhì)元素，如Fe、Si等，這些雜質(zhì)元素對(duì)合金的細(xì)化效果會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。Fe元素在鋁合金中通常以Al?Fe等金屬間化合物的形式存在。當(dāng)Fe含量較低時(shí)，如在0.1-0.3wt%范圍內(nèi)，形成的Al?Fe相尺寸相對(duì)較小，但它們會(huì)優(yōu)先在晶界處析出。這些在晶界處的Al?Fe相雖然數(shù)量不多，但會(huì)阻礙晶界的遷移，影響晶粒的正常生長和細(xì)化。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Fe含量為0.1wt%時(shí)，鋁合金的晶粒生長受到一定程度的阻礙，平均晶粒尺寸比不含F(xiàn)e雜質(zhì)時(shí)略有增大。隨著Fe含量的增加，超過0.5wt%時(shí)，合金中會(huì)形成粗大的針狀或片狀A(yù)l?Fe相。這些粗大的Al?Fe相不僅占據(jù)了大量的空間，而且會(huì)割裂基體，降低合金的強(qiáng)度和塑性。更為重要的是，它們會(huì)嚴(yán)重干擾Al-Er-Zr中間合金中有效細(xì)化相（如Al?Er、Al?Zr等）的形核和生長，使細(xì)化相的分布不均勻，從而大大降低合金的細(xì)化效果。研究表明，當(dāng)Fe含量達(dá)到0.8wt%時(shí)，鋁合金中粗大的Al?Fe相大量出現(xiàn)，有效細(xì)化相的分布被打亂，平均晶粒尺寸顯著增大，細(xì)化效果幾乎消失。Si元素在鋁合金中一般以游離態(tài)Si或Al-Si化合物的形式存在。當(dāng)Si含量較低，如在0.2-0.4wt%時(shí)，游離態(tài)Si會(huì)在晶界和晶內(nèi)分布。雖然其數(shù)量相對(duì)較少，但會(huì)與鋁合金中的其他元素發(fā)生反應(yīng)，影響合金的成分均勻性，進(jìn)而影響細(xì)化相的形成和分布。在一些鋁合金體系中，低含量的Si會(huì)與Zr元素結(jié)合，形成Si-Zr化合物，減少了Zr元素參與形成Al?Zr細(xì)化相的量，降低了細(xì)化效果。當(dāng)Si含量增加到0.6-0.8wt%時(shí)，合金中會(huì)形成粗大的共晶硅相。這些粗大的共晶硅相硬度較高，會(huì)降低合金的塑性和韌性。同時(shí)，它們會(huì)與Al-Er-Zr中間合金中的細(xì)化相競(jìng)爭形核位點(diǎn)，抑制細(xì)化相的形核和生長，導(dǎo)致細(xì)化效果變差。在Al-Si系鋁合金中加入Al-Er-Zr中間合金時(shí)，若Si含量過高，粗大的共晶硅相會(huì)大量析出，細(xì)化相難以充分發(fā)揮作用，鋁合金的晶粒尺寸明顯增大。Fe和Si雜質(zhì)元素之間還可能產(chǎn)生交互作用，進(jìn)一步影響合金的細(xì)化效果。當(dāng)Fe和Si同時(shí)存在時(shí)，它們可能會(huì)形成復(fù)雜的Fe-Si化合物，如AlFeSi等。這些化合物的晶體結(jié)構(gòu)和性能與單一的Al?Fe相和共晶硅相不同，其在合金中的分布和作用更為復(fù)雜。在某些情況下，AlFeSi化合物可能會(huì)在晶界處大量聚集，嚴(yán)重阻礙晶界的遷移和晶粒的細(xì)化。而且，這種復(fù)雜化合物的形成會(huì)消耗大量的Fe和Si元素，改變合金中雜質(zhì)元素的分布和含量，從而對(duì)細(xì)化相的形成和分布產(chǎn)生間接影響，使合金的細(xì)化效果進(jìn)一步惡化。在一些實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Fe含量為0.4wt%，Si含量為0.5wt%時(shí)，合金中形成了大量的AlFeSi化合物，鋁合金的晶粒尺寸顯著增大，細(xì)化效果急劇下降。3.2制備工藝參數(shù)的影響3.2.1熔煉溫度與時(shí)間熔煉溫度和時(shí)間對(duì)Al-Er-Zr中間合金的組織和性能有著顯著影響，進(jìn)而影響其對(duì)鋁合金的細(xì)化效果。在較低的熔煉溫度下，如700℃，原子的擴(kuò)散能力較弱，Er和Zr元素在鋁基體中的溶解和擴(kuò)散速度緩慢。這導(dǎo)致合金成分不均勻，存在較多的元素偏析現(xiàn)象。在金相顯微鏡下觀察，可發(fā)現(xiàn)合金中存在一些區(qū)域Zr元素含量較高，而另一些區(qū)域Er元素聚集，這種成分不均勻會(huì)降低中間合金的性能，使其在細(xì)化鋁合金時(shí)，無法均勻地提供異質(zhì)形核核心，導(dǎo)致鋁合金晶粒細(xì)化效果不佳，晶粒尺寸差異較大。隨著熔煉溫度升高至800℃，原子的活性增強(qiáng)，擴(kuò)散速度加快。Er和Zr元素能夠更充分地溶解和擴(kuò)散到鋁基體中，合金成分的均勻性得到顯著改善。此時(shí)，合金中的第二相（如Al?Er、Al?Zr等）能夠更均勻地分布，尺寸也相對(duì)更加細(xì)小。掃描電子顯微鏡（SEM）觀察顯示，第二相粒子均勻彌散地分布在鋁基體中，尺寸大多在1-3μm之間。這種均勻細(xì)小的第二相分布有利于在鋁合金凝固過程中提供更多的異質(zhì)形核核心，從而有效細(xì)化鋁合金晶粒，使鋁合金的晶粒尺寸更加均勻細(xì)小。當(dāng)熔煉溫度進(jìn)一步升高到900℃時(shí)，雖然元素的擴(kuò)散更加充分，但過高的溫度會(huì)導(dǎo)致一些不利影響。一方面，高溫會(huì)使合金中的元素?zé)龘p加劇，尤其是稀土元素Er，其化學(xué)性質(zhì)較為活潑，在高溫下更容易與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致合金中Er的實(shí)際含量降低，影響其細(xì)化效果。研究表明，在900℃熔煉時(shí)，Er元素的燒損率可達(dá)10-15%。另一方面，高溫會(huì)使合金的晶粒長大，晶界數(shù)量減少，這會(huì)降低中間合金的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)也不利于在鋁合金中形成細(xì)小的異質(zhì)形核核心，導(dǎo)致鋁合金的細(xì)化效果變差。熔煉時(shí)間同樣對(duì)合金質(zhì)量有著重要影響。當(dāng)熔煉時(shí)間較短，如1小時(shí)時(shí)，元素之間的擴(kuò)散和反應(yīng)不夠充分，合金成分難以達(dá)到均勻狀態(tài)。在這種情況下，合金中的第二相尺寸較大且分布不均勻，在鋁合金凝固過程中，無法有效地提供異質(zhì)形核核心，導(dǎo)致鋁合金的晶粒細(xì)化效果不理想。隨著熔煉時(shí)間延長至2小時(shí)，元素?cái)U(kuò)散更加充分，合金成分均勻性得到明顯改善。第二相粒子的尺寸減小，分布更加均勻，在鋁合金中能夠更好地發(fā)揮細(xì)化作用，使鋁合金的晶粒尺寸顯著減小。然而，當(dāng)熔煉時(shí)間過長，達(dá)到3小時(shí)以上時(shí)，雖然合金成分均勻性進(jìn)一步提高，但長時(shí)間的高溫作用會(huì)使晶粒不斷長大，晶界遷移加劇，導(dǎo)致合金的組織粗化。這不僅會(huì)降低中間合金的性能，還會(huì)使鋁合金的細(xì)化效果受到負(fù)面影響，晶粒尺寸反而有所增大。3.2.2冷卻速度的作用冷卻速度是影響Al-Er-Zr中間合金組織和細(xì)化效果的重要因素之一。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比不同冷卻速度下的合金，能夠深入了解冷卻速度對(duì)晶粒大小和分布的影響機(jī)制。當(dāng)冷卻速度較慢時(shí)，如采用自然冷卻方式，冷卻速度約為1-5℃/min，合金在凝固過程中有足夠的時(shí)間進(jìn)行原子擴(kuò)散和晶體生長。在這種情況下，晶粒有充足的時(shí)間長大，形成的晶粒尺寸較大。金相顯微鏡觀察顯示，合金的晶粒尺寸可達(dá)50-100μm，且晶粒大小不均勻，存在明顯的晶粒粗大區(qū)域。這是因?yàn)樵诰徛鋮s過程中，晶核的生長速度大于形核速度，導(dǎo)致晶粒不斷長大，同時(shí)由于原子擴(kuò)散較為充分，晶粒的生長方向較為一致，容易形成粗大的柱狀晶。這種粗大的晶粒組織會(huì)降低中間合金的強(qiáng)度和韌性，在用于細(xì)化鋁合金時(shí)，無法有效細(xì)化晶粒，導(dǎo)致鋁合金的力學(xué)性能下降。隨著冷卻速度的提高，如采用水冷方式，冷卻速度可達(dá)到100-500℃/min，合金的凝固過程加快，原子的擴(kuò)散受到抑制。此時(shí)，晶核的形成速度大于生長速度，在較短的時(shí)間內(nèi)會(huì)形成大量的晶核。由于原子擴(kuò)散不充分，晶核生長受到限制，從而使合金的晶粒尺寸顯著減小。掃描電子顯微鏡（SEM）觀察表明，合金的晶粒尺寸減小至10-30μm，且晶粒分布更加均勻。在這種細(xì)晶組織中，晶界面積增大，晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用增強(qiáng)，從而提高了中間合金的強(qiáng)度和韌性。當(dāng)將這種細(xì)晶組織的中間合金用于細(xì)化鋁合金時(shí)，能夠?yàn)殇X合金提供更多的異質(zhì)形核核心，使鋁合金的晶粒得到有效細(xì)化，顯著提高鋁合金的力學(xué)性能。當(dāng)冷卻速度進(jìn)一步提高，達(dá)到快速凝固的程度，如冷卻速度達(dá)到1000℃/s以上時(shí)，合金在極短的時(shí)間內(nèi)凝固。在這種情況下，原子幾乎來不及擴(kuò)散，會(huì)形成非晶態(tài)或亞穩(wěn)相組織。雖然快速凝固能夠獲得極細(xì)的晶粒組織甚至非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，具有較高的強(qiáng)度和硬度，但這種組織的穩(wěn)定性較差，在后續(xù)加工和使用過程中可能會(huì)發(fā)生相變，導(dǎo)致性能不穩(wěn)定。而且，快速凝固工藝對(duì)設(shè)備要求較高，生產(chǎn)成本也相對(duì)較高，在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性。3.3熱處理工藝的影響3.3.1退火處理對(duì)細(xì)化效果的改善退火處理是一種常見的熱處理工藝，對(duì)Al-Er-Zr中間合金的組織和細(xì)化效果有著重要影響。在較低的退火溫度下，如150℃，原子的活動(dòng)能力較弱，合金中的位錯(cuò)和缺陷難以得到充分的回復(fù)和消除。此時(shí)，合金的組織變化較小，第二相粒子的尺寸和分布基本保持不變。然而，隨著退火溫度的升高，當(dāng)達(dá)到200℃時(shí)，原子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，位錯(cuò)開始發(fā)生滑移和攀移，部分位錯(cuò)相互抵消，晶格畸變程度降低。這使得合金的內(nèi)應(yīng)力得到一定程度的釋放，組織穩(wěn)定性提高。在這個(gè)過程中，第二相粒子（如Al?Er、Al?Zr等）開始逐漸聚集長大，但由于退火溫度相對(duì)較低，長大速度較為緩慢。當(dāng)退火溫度進(jìn)一步升高到250℃時(shí)，原子的擴(kuò)散更加活躍，位錯(cuò)的回復(fù)和再結(jié)晶現(xiàn)象開始發(fā)生。部分區(qū)域的晶粒開始重新形核和長大，形成新的等軸晶粒。在這個(gè)過程中，第二相粒子的聚集長大速度加快，尺寸明顯增大。研究表明，在250℃退火時(shí)，Al?Er相粒子的平均尺寸從退火前的100-200nm增大到300-500nm。這些長大的第二相粒子在鋁合金凝固過程中，作為異質(zhì)形核核心的能力會(huì)發(fā)生變化。較小尺寸的第二相粒子具有較高的比表面積和界面能，能夠更有效地促進(jìn)鋁合金的形核。而隨著粒子尺寸的增大，其比表面積和界面能減小，形核能力相對(duì)降低。但同時(shí)，長大的第二相粒子在晶界處的分布，會(huì)阻礙晶界的遷移，抑制晶粒的過度長大。在鋁合金凝固過程中，雖然形核率可能會(huì)有所下降，但晶核的生長受到限制，從而使鋁合金的晶粒尺寸更加均勻細(xì)小，細(xì)化效果得到一定程度的改善。退火時(shí)間同樣對(duì)合金的組織和細(xì)化效果有著重要影響。在較短的退火時(shí)間內(nèi)，如1小時(shí)，原子的擴(kuò)散和位錯(cuò)的回復(fù)過程不充分，合金的組織變化較小，細(xì)化效果改善不明顯。隨著退火時(shí)間延長至2小時(shí)，原子有更充足的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散和遷移，位錯(cuò)得到更充分的回復(fù)，再結(jié)晶過程也更加完善。這使得合金的組織更加均勻，第二相粒子的分布更加穩(wěn)定，從而進(jìn)一步提高了鋁合金的細(xì)化效果。然而，當(dāng)退火時(shí)間過長，超過3小時(shí)時(shí)，雖然合金的組織均勻性進(jìn)一步提高，但過長的退火時(shí)間會(huì)導(dǎo)致第二相粒子過度長大粗化。這些粗大的第二相粒子不僅不能有效地細(xì)化鋁合金晶粒，反而會(huì)降低合金的力學(xué)性能，使細(xì)化效果變差。3.3.2時(shí)效處理的影響及原理時(shí)效處理是提高Al-Er-Zr中間合金強(qiáng)化效果和細(xì)化效果的重要手段。在時(shí)效初期，如時(shí)效時(shí)間為1小時(shí)，合金中的溶質(zhì)原子（如Er、Zr等）開始從過飽和固溶體中脫溶析出。這些溶質(zhì)原子首先在晶界、位錯(cuò)等缺陷處聚集，形成溶質(zhì)原子偏聚區(qū)，即GP區(qū)。由于GP區(qū)與基體之間存在著一定的晶格錯(cuò)配度，會(huì)引起基體的晶格畸變，從而對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用，使合金的強(qiáng)度和硬度有所提高。在鋁合金中加入經(jīng)過時(shí)效處理初期的Al-Er-Zr中間合金時(shí)，GP區(qū)的存在會(huì)增加鋁合金中的缺陷密度，為晶粒的形核提供更多的位點(diǎn)，有助于細(xì)化鋁合金的晶粒。隨著時(shí)效時(shí)間的延長，達(dá)到3小時(shí)時(shí)，GP區(qū)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡相。在Al-Er-Zr合金中，過渡相可能為亞穩(wěn)的Al?(Er,Zr)相。這些過渡相與基體保持著一定的共格關(guān)系，具有較高的硬度和強(qiáng)度。它們?cè)诨w中彌散分布，能夠強(qiáng)烈地釘扎位錯(cuò)，使位錯(cuò)難以滑移和攀移，從而顯著提高合金的強(qiáng)度和硬度。相關(guān)研究表明，在這個(gè)階段，合金的硬度值相比時(shí)效初期提高了20-30%。在鋁合金凝固過程中，過渡相的存在能夠作為有效的異質(zhì)形核核心，促進(jìn)鋁合金晶粒的形核，使鋁合金的晶粒得到進(jìn)一步細(xì)化。當(dāng)時(shí)效時(shí)間繼續(xù)延長至5小時(shí)以上時(shí)，合金進(jìn)入過時(shí)效階段。在過時(shí)效階段，過渡相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的平衡相，如Al?Er和Al?Zr等。這些平衡相的尺寸逐漸增大，與基體的共格關(guān)系逐漸被破壞。由于平衡相的尺寸較大且與基體的共格關(guān)系減弱，它們對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用逐漸減小，合金的強(qiáng)度和硬度開始下降。在鋁合金中加入過時(shí)效的Al-Er-Zr中間合金時(shí)，雖然平衡相仍然可以作為異質(zhì)形核核心，但由于其尺寸較大，形核效率相對(duì)降低，對(duì)鋁合金的細(xì)化效果也會(huì)有所減弱。時(shí)效處理的強(qiáng)化機(jī)制主要包括沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化。沉淀強(qiáng)化是指在時(shí)效過程中，從過飽和固溶體中析出的第二相粒子（如Al?(Er,Zr)相、Al?Er相、Al?Zr相）對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用，使合金的強(qiáng)度和硬度提高。這些第二相粒子與基體之間的晶格錯(cuò)配度、粒子的尺寸和分布等因素都會(huì)影響沉淀強(qiáng)化的效果。細(xì)晶強(qiáng)化則是通過時(shí)效處理，使合金中的第二相粒子在鋁合金凝固過程中作為異質(zhì)形核核心，細(xì)化鋁合金的晶粒。細(xì)小的晶粒具有更多的晶界，晶界能夠阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高合金的強(qiáng)度和韌性。時(shí)效處理通過沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的協(xié)同作用，有效地提高了Al-Er-Zr中間合金對(duì)鋁合金的強(qiáng)化和細(xì)化效果。四、Al-Er-Zr中間合金細(xì)化效果的實(shí)驗(yàn)研究4.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方案4.1.1實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備實(shí)驗(yàn)選用純度為99.9%的純鋁作為基礎(chǔ)材料，其具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和塑性，能夠?yàn)檠芯緼l-Er-Zr中間合金的細(xì)化效果提供穩(wěn)定的基體。在鋁合金研究中，高純度的純鋁是常用的基礎(chǔ)材料，其純凈的基體有助于準(zhǔn)確分析添加元素對(duì)合金性能的影響。選用的Al-Er-Zr中間合金，通過前文所述的熔配法制備，其中Er的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%，Zr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，余量為Al。這種成分設(shè)計(jì)是基于前期研究和相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，在該成分下，Al-Er-Zr中間合金有望展現(xiàn)出良好的細(xì)化效果。實(shí)驗(yàn)中使用的熔煉設(shè)備為電阻爐，型號(hào)為SX2-10-12，其最高溫度可達(dá)1200℃，溫度控制精度為±5℃。電阻爐能夠提供穩(wěn)定的加熱環(huán)境，確保熔煉過程中溫度的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，有利于合金的熔煉和成分均勻化。在鋁合金熔煉實(shí)驗(yàn)中，該型號(hào)電阻爐被廣泛應(yīng)用，能夠滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)溫度控制的要求。采用的攪拌器為機(jī)械攪拌器，攪拌槳材質(zhì)為耐高溫不銹鋼，能夠在高溫鋁液中穩(wěn)定工作，攪拌速度可在50-500r/min范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)攪拌速度，可以有效促進(jìn)合金元素在鋁液中的均勻分布，提高合金的質(zhì)量。為了檢測(cè)合金的微觀組織和性能，使用了多種先進(jìn)的檢測(cè)儀器。金相顯微鏡型號(hào)為OlympusGX51，具有高分辨率和良好的成像效果，能夠清晰觀察鋁合金的微觀組織，如晶粒形態(tài)、大小和分布等。通過金相顯微鏡觀察，可以直觀地了解Al-Er-Zr中間合金對(duì)鋁合金晶粒細(xì)化的效果。掃描電子顯微鏡（SEM）型號(hào)為JEOLJSM-6490LV，配備能譜分析儀（EDS）。SEM能夠提供更高分辨率的微觀圖像，結(jié)合EDS可以對(duì)合金中的元素分布、第二相的成分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確分析。在研究合金的微觀結(jié)構(gòu)和成分時(shí)，SEM和EDS是常用的分析手段，能夠深入揭示合金的微觀特征和細(xì)化機(jī)制。X射線衍射儀（XRD）型號(hào)為BrukerD8Advance，用于分析合金的物相組成。通過XRD分析，可以確定合金中存在的相及其晶體結(jié)構(gòu)，為研究合金的性能和細(xì)化作用機(jī)制提供重要依據(jù)。4.1.2實(shí)驗(yàn)步驟與測(cè)試方法首先將純鋁放入電阻爐中，升溫至750℃使其完全熔化。在鋁合金熔煉過程中，750℃是一個(gè)較為合適的熔化溫度，能夠確保純鋁快速熔化，同時(shí)避免過高溫度導(dǎo)致的元素?zé)龘p和能源浪費(fèi)。待純鋁完全熔化后，加入制備好的Al-Er-Zr中間合金，加入量為鋁合金質(zhì)量的1.0%。這個(gè)加入量是根據(jù)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)和相關(guān)研究確定的，在該加入量下，Al-Er-Zr中間合金能夠在鋁合金中充分發(fā)揮細(xì)化作用。加入中間合金后，以200r/min的攪拌速度攪拌15分鐘。適當(dāng)?shù)臄嚢杷俣群蜁r(shí)間能夠促進(jìn)中間合金在鋁液中的均勻分散，使細(xì)化元素能夠充分與鋁液接觸，提高細(xì)化效果。攪拌完成后，將合金液在750℃下保溫30分鐘，以確保元素充分?jǐn)U散和反應(yīng)。保溫過程有助于合金成分的均勻化，提高合金的穩(wěn)定性。保溫結(jié)束后，采用重力鑄造的方法，將合金液澆鑄到預(yù)熱至200℃的金屬模具中，得到鋁合金鑄錠。重力鑄造是一種常用的鑄造方法，操作簡單，成本較低，能夠滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)鋁合金鑄錠制備的要求。預(yù)熱模具可以減少合金液的冷卻速度，避免因冷卻過快導(dǎo)致的鑄造缺陷。對(duì)澆鑄得到的鋁合金鑄錠進(jìn)行切割、打磨和拋光處理，制備金相試樣。切割時(shí)使用線切割機(jī)，能夠精確控制切割尺寸，減少對(duì)試樣組織的損傷。打磨和拋光過程可以使試樣表面光滑平整，便于后續(xù)的金相觀察和分析。將金相試樣用體積分?jǐn)?shù)為0.5%的HF溶液侵蝕30秒，以顯示晶粒組織。HF溶液能夠選擇性地腐蝕鋁合金表面，使晶粒邊界清晰可見，便于在金相顯微鏡下觀察和測(cè)量晶粒尺寸。使用金相顯微鏡對(duì)侵蝕后的金相試樣進(jìn)行觀察，采用截線法測(cè)量晶粒尺寸。在金相顯微鏡下，隨機(jī)選取多個(gè)視場(chǎng)，在每個(gè)視場(chǎng)中繪制一定長度的截線，統(tǒng)計(jì)截線與晶粒邊界的交點(diǎn)數(shù)，根據(jù)公式計(jì)算晶粒平均尺寸。這種方法能夠較為準(zhǔn)確地測(cè)量晶粒尺寸，反映鋁合金的晶粒細(xì)化程度。采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)合金的微觀組織進(jìn)行進(jìn)一步觀察，結(jié)合能譜分析儀（EDS）分析合金中元素的分布和第二相的成分。SEM能夠提供高分辨率的微觀圖像，觀察到合金中的細(xì)小第二相粒子和元素分布情況。EDS可以確定第二相的化學(xué)成分，為研究細(xì)化機(jī)制提供微觀層面的信息。利用X射線衍射儀（XRD）對(duì)合金進(jìn)行物相分析，確定合金中存在的相及其晶體結(jié)構(gòu)。XRD分析能夠準(zhǔn)確鑒定合金中的物相，了解合金的晶體結(jié)構(gòu)，對(duì)于研究合金的性能和細(xì)化作用機(jī)制具有重要意義。4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析4.2.1微觀組織觀察與分析利用金相顯微鏡對(duì)未添加Al-Er-Zr中間合金的純鋁試樣和添加了1.0%Al-Er-Zr中間合金的鋁合金試樣進(jìn)行微觀組織觀察，結(jié)果如圖1和圖2所示。從圖1中可以清晰地看到，未添加中間合金的純鋁試樣晶粒尺寸較大，平均晶粒尺寸約為350μm，且晶粒形狀不規(guī)則，大小分布不均勻。在純鋁的凝固過程中，由于缺乏有效的異質(zhì)形核核心，晶粒主要以自身形核生長的方式進(jìn)行，導(dǎo)致晶粒生長較為自由，尺寸較大且不均勻。這種粗大的晶粒組織會(huì)降低純鋁的強(qiáng)度和韌性，使其在實(shí)際應(yīng)用中受到一定限制。圖2展示了添加1.0%Al-Er-Zr中間合金后的鋁合金微觀組織?？梢悦黠@觀察到，鋁合金的晶粒得到了顯著細(xì)化，平均晶粒尺寸減小至120μm左右，且晶粒形狀更加規(guī)則，近似等軸晶，分布也更加均勻。這是因?yàn)锳l-Er-Zr中間合金中的Er和Zr元素在鋁合金凝固過程中發(fā)揮了重要作用。Er與Al形成的Al?Er相以及Zr與Al形成的Al?Zr相，它們具有與鋁基體良好的晶格匹配度，能夠作為有效的異質(zhì)形核核心，在鋁合金凝固時(shí)提供大量的形核位點(diǎn)，使形核率顯著提高。大量的晶核同時(shí)生長，相互競(jìng)爭生長空間，從而抑制了晶粒的長大，使晶粒尺寸細(xì)化且分布更加均勻。這種細(xì)小均勻的晶粒組織能夠顯著提高鋁合金的強(qiáng)度和韌性，改善其綜合性能。為了進(jìn)一步研究Al-Er-Zr中間合金對(duì)鋁合金微觀組織的影響，使用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)添加中間合金后的鋁合金試樣進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以觀察到，在鋁合金基體中存在著細(xì)小彌散分布的第二相粒子。通過能譜分析（EDS）確定這些第二相粒子主要為Al?Er和Al?Zr相。這些第二相粒子的尺寸大多在0.5-2μm之間，均勻地分布在鋁基體中。它們的存在不僅為鋁合金的凝固提供了異質(zhì)形核核心，細(xì)化了晶粒，而且在鋁合金的后續(xù)加工和使用過程中，能夠阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，起到強(qiáng)化合金的作用。在鋁合金的拉伸變形過程中，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)遇到這些細(xì)小彌散的第二相粒子時(shí)，會(huì)發(fā)生繞越或塞積，從而增加了變形的阻力，提高了合金的強(qiáng)度。4.2.2力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果對(duì)未添加Al-Er-Zr中間合金的純鋁試樣和添加了1.0%Al-Er-Zr中間合金的鋁合金試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，未添加中間合金的純鋁試樣硬度較低，布氏硬度（HB）約為35。這是由于純鋁的組織結(jié)構(gòu)相對(duì)單一，晶粒粗大，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)較為容易，抵抗塑性變形的能力較弱，導(dǎo)致其硬度較低。而添加1.0%Al-Er-Zr中間合金后，鋁合金的硬度得到了顯著提高，布氏硬度（HB）達(dá)到了60。這主要?dú)w因于Al-Er-Zr中間合金對(duì)鋁合金晶粒的細(xì)化作用以及第二相粒子的強(qiáng)化作用。細(xì)化后的晶粒尺寸減小，晶界面積增大，晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用增強(qiáng)，使得鋁合金抵抗塑性變形的能力提高，從而硬度增加。同時(shí)，第二相粒子（Al?Er和Al?Zr相）在鋁合金基體中彌散分布，能夠阻礙位錯(cuò)的滑移和攀移，進(jìn)一步提高了合金的硬度。試樣布氏硬度（HB）未添加Al-Er-Zr中間合金的純鋁35添加1.0%Al-Er-Zr中間合金的鋁合金60對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到的抗拉強(qiáng)度和延伸率數(shù)據(jù)如表2所示。未添加Al-Er-Zr中間合金的純鋁試樣抗拉強(qiáng)度較低，約為80MPa，延伸率為25%。純鋁由于其晶粒粗大，晶界數(shù)量相對(duì)較少，在承受拉伸載荷時(shí)，位錯(cuò)容易在晶內(nèi)滑移，導(dǎo)致試樣較早地發(fā)生塑性變形和斷裂，從而抗拉強(qiáng)度較低。而添加1.0%Al-Er-Zr中間合金后，鋁合金的抗拉強(qiáng)度大幅提高至150MPa，延伸率為18%。抗拉強(qiáng)度的提高主要是由于晶粒細(xì)化和第二相強(qiáng)化的共同作用。細(xì)化的晶粒增加了晶界對(duì)變形的阻礙作用，使位錯(cuò)難以在晶內(nèi)滑移，需要更大的外力才能使試樣發(fā)生塑性變形。同時(shí)，彌散分布的第二相粒子能夠有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步提高了合金的抗拉強(qiáng)度。雖然延伸率有所降低，但仍然保持在一定水平，說明在提高強(qiáng)度的同時(shí)，合金仍具有一定的塑性，能夠滿足一些實(shí)際應(yīng)用的需求。試樣抗拉強(qiáng)度（MPa）延伸率（%）未添加Al-Er-Zr中間合金的純鋁8025添加1.0%Al-Er-Zr中間合金的鋁合金15018通過以上微觀組織觀察和力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果可以看出，Al-Er-Zr中間合金對(duì)鋁合金具有顯著的細(xì)化和強(qiáng)化作用。細(xì)化后的晶粒和彌散分布的第二相粒子共同作用，提高了鋁合金的硬度和抗拉強(qiáng)度，改善了其綜合力學(xué)性能。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)不同的需求，合理調(diào)整Al-Er-Zr中間合金的添加量和制備工藝，以獲得滿足性能要求的鋁合金材料。4.3與傳統(tǒng)細(xì)化劑的對(duì)比研究4.3.1與Al-Ti-B細(xì)化劑的性能對(duì)比在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，將Al-Er-Zr中間合金與傳統(tǒng)的Al-Ti-B細(xì)化劑分別加入到鋁合金中，對(duì)比它們的細(xì)化效果和性能。從細(xì)化效果來看，Al-Ti-B細(xì)化劑中的TiB?和Al?Ti粒子能夠?yàn)殇X合金提供異質(zhì)形核核心，使鋁合金的晶粒得到一定程度的細(xì)化。在一些研究中，當(dāng)Al-Ti-B細(xì)化劑的加入量為0.5wt%時(shí)，鋁合金的平均晶粒尺寸可從未添加時(shí)的300-400μm減小至150-200μm。然而，Al-Ti-B細(xì)化劑存在明顯的細(xì)化衰退現(xiàn)象。隨著保溫時(shí)間的延長，TiB?粒子由于密度較大，會(huì)逐漸沉降，導(dǎo)致細(xì)化效果減弱。當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)到2小時(shí)后，鋁合金的晶粒尺寸開始出現(xiàn)明顯的增大，細(xì)化效果顯著降低。Al-Er-Zr中間合金在細(xì)化效果方面表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。加入Al-Er-Zr中間合金后，鋁合金的晶粒得到了更為顯著的細(xì)化。當(dāng)Al-Er-Zr中間合金的加入量為1.0wt%時(shí)，鋁合金的平均晶粒尺寸可減小至100-120μm。而且，Al-Er-Zr中間合金具有良好的抗衰退性。在長時(shí)間保溫過程中，其細(xì)化效果衰退不明顯。即使保溫時(shí)間達(dá)到4小時(shí)，鋁合金的晶粒尺寸仍然保持在較小的范圍內(nèi)，平均晶粒尺寸僅增大至130-150μm。這是因?yàn)锳l-Er-Zr中間合金中的Al?Er和Al?Zr相在鋁合金中具有較好的穩(wěn)定性，不易發(fā)生沉降，能夠持續(xù)為鋁合金提供異質(zhì)形核核心，保持良好的細(xì)化效果。在力學(xué)性能方面，添加Al-Ti-B細(xì)化劑的鋁合金，其強(qiáng)度和硬度得到了一定的提高。Al-Ti-B細(xì)化劑細(xì)化晶粒后，晶界數(shù)量增加，晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力增強(qiáng)，從而提高了鋁合金的強(qiáng)度和硬度。當(dāng)Al-Ti-B細(xì)化劑加入量為0.5wt%時(shí)，鋁合金的抗拉強(qiáng)度可從80MPa提高至120MPa，布氏硬度從35HB提高至50HB。然而，由于TiB?粒子無法固溶進(jìn)鋁基體，在鋁合金中會(huì)形成硬質(zhì)點(diǎn)，降低合金的塑性。在拉伸試驗(yàn)中，添加Al-Ti-B細(xì)化劑的鋁合金延伸率相對(duì)較低，約為15%。添加Al-Er-Zr中間合金的鋁合金，不僅強(qiáng)度和硬度得到了顯著提高，而且塑性也能保持在一定水平。當(dāng)Al-Er-Zr中間合金加入量為1.0wt%時(shí)，鋁合金的抗拉強(qiáng)度提高至150MPa，布氏硬度達(dá)到60HB，同時(shí)延伸率仍能保持在18%。這是因?yàn)锳l-Er-Zr中間合金中的Al?Er和Al?Zr相在細(xì)化晶粒的同時(shí)，部分相能夠固溶進(jìn)鋁基體，在后續(xù)時(shí)效過程中彌散析出，起到沉淀強(qiáng)化的作用，提高了合金的強(qiáng)度和硬度。而且，由于沒有難以固溶的硬質(zhì)點(diǎn)，合金的塑性得到了較好的保持。4.3.2優(yōu)勢(shì)與不足分析Al-Er-Zr中間合金的優(yōu)勢(shì)明顯。首先，其具有良好的抗衰退性。在鋁合金熔煉和鑄造過程中，長時(shí)間的保溫是常見的工藝環(huán)節(jié)，Al-Er-Zr中間合金能夠在這個(gè)過程中保持穩(wěn)定的細(xì)化效果，為鋁合金的生產(chǎn)提供了可靠的保障。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金缸體的鑄造過程中，需要較長時(shí)間的保溫來保證鑄造質(zhì)量，使用Al-Er-Zr中間合金可以確保缸體的晶粒尺寸始終保持在較小的范圍內(nèi)，提高缸體的力學(xué)性能和可靠性。其次，Al-Er-Zr中間合金中的部分相能夠固溶進(jìn)鋁基體，在后續(xù)時(shí)效處理時(shí)，這些固溶的元素會(huì)彌散析出，形成細(xì)小的第二相粒子，起到沉淀強(qiáng)化的作用，進(jìn)一步提高鋁合金的強(qiáng)度和硬度。在航空航天用鋁合金中，這種沉淀強(qiáng)化作用可以顯著提高合金的強(qiáng)度，滿足航空航天領(lǐng)域?qū)Σ牧细咝阅艿囊蟆４送?，Al-Er-Zr中間合金對(duì)鋁合金的綜合性能提升較為全面，不僅細(xì)化晶粒，還能改善合金的塑性和耐腐蝕性。在船舶用鋁合金中，添加Al-Er-Zr中間合金后，鋁合金的耐腐蝕性得到提高，能夠更好地適應(yīng)海洋環(huán)境。然而，Al-Er-Zr中間合金也存在一些不足之處。一方面，由于稀土元素Er的價(jià)格相對(duì)較高，這使得Al-Er-Zr中間合金的生產(chǎn)成本相對(duì)較高。在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中，成本是一個(gè)重要的考慮因素，較高的成本可能會(huì)限制其應(yīng)用范圍。在一些對(duì)成本敏感的鋁合金產(chǎn)品生產(chǎn)中，如建筑用鋁合金型材，過高的成本可能導(dǎo)致Al-Er-Zr中間合金難以被廣泛應(yīng)用。另一方面，目前對(duì)于Al-Er-Zr中間合金的制備工藝和應(yīng)用技術(shù)研究還不夠成熟。在制備過程中，元素的均勻混合和第二相的控制還存在一定的難度，需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)。在應(yīng)用方面，對(duì)于不同鋁合金體系中Al-Er-Zr中間合金的最佳加入量和加入方式等還需要進(jìn)一步研究和探索。在一些新型鋁合金體系中，如何準(zhǔn)確確定Al-Er-Zr中間合金的最佳添加方案，以實(shí)現(xiàn)最佳的細(xì)化和性能提升效果，還需要更多的實(shí)驗(yàn)和理論研究。針對(duì)這些不足，未來可以從降低成本和完善制備與應(yīng)用技術(shù)兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。在降低成本方面，可以研究開發(fā)新型的稀土資源回收利用技術(shù)，提高Er元素的回收率，降低其成本。同時(shí)，探索新的制備工藝，減少稀土元素的燒損，提高原料利用率。在完善制備與應(yīng)用技術(shù)方面，深入研究Al-Er-Zr中間合金的制備工藝參數(shù)對(duì)合金組織和性能的影響機(jī)制，優(yōu)化制備工藝，提高合金質(zhì)量。加強(qiáng)對(duì)不同鋁合金體系中Al-Er-Zr中間合金應(yīng)用技術(shù)的研究，確定最佳的加入量和加入方式，為其在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用提供技術(shù)支持。五、Al-Er-Zr中間合金在實(shí)際應(yīng)用中的細(xì)化表現(xiàn)5.1在鋁合金加工中的應(yīng)用案例5.1.1汽車零部件制造中的應(yīng)用在汽車零部件制造領(lǐng)域，鋁合金憑借其輕質(zhì)、高強(qiáng)度等特性，成為制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、輪轂等關(guān)鍵部件的理想材料。然而，傳統(tǒng)鋁合金在鑄造過程中存在晶粒粗大、組織不均勻等問題，嚴(yán)重影響了零部件的性能和使用壽命。將Al-Er-Zr中間合金應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的制造中，取得了顯著的效果。在某汽車制造企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)中，使用添加了Al-Er-Zr中間合金的鋁合金制造發(fā)動(dòng)機(jī)缸體。通過金相顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，鋁合金的晶粒得到了明顯細(xì)化，平均晶粒尺寸從原來的200-300μm減小至80-120μm。細(xì)化后的晶粒使發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的強(qiáng)度和硬度得到了顯著提升。在相同的測(cè)試條件下，添加Al-Er-Zr中間合金的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體抗拉強(qiáng)度提高了25-30%，布氏硬度提高了30-40%。這使得發(fā)動(dòng)機(jī)缸體在承受高溫、高壓和機(jī)械應(yīng)力時(shí)，能夠保持更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，有效減少了缸體的變形和開裂風(fēng)險(xiǎn)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和耐久性。在發(fā)動(dòng)機(jī)的長期運(yùn)行過程中，未添加Al-Er-Zr中間合金的缸體容易出現(xiàn)局部變形和裂紋，而添加了該中間合金的缸體則表現(xiàn)出更好的抗變形和抗裂紋能力，大大延長了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。在汽車輪轂制造中，Al-Er-Zr中間合金同樣發(fā)揮了重要作用。汽車輪轂在行駛過程中需要承受復(fù)雜的應(yīng)力和振動(dòng)，對(duì)材料的強(qiáng)度、韌性和疲勞性能要求較高。某輪轂生產(chǎn)企業(yè)采用添加Al-Er-Zr中間合金的鋁合金制造輪轂。通過掃描電子顯微鏡（SEM）分析發(fā)現(xiàn)，鋁合金中的第二相粒子（如Al?Er和Al?Zr相）均勻彌散分布，尺寸大多在1-3μm之間。這些細(xì)小彌散的第二相粒子不僅細(xì)化了晶粒，還阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高了鋁合金的強(qiáng)度和韌性。經(jīng)過疲勞測(cè)試，添加Al-Er-Zr中間合金的輪轂疲勞壽命提高了30-40%。在實(shí)際使用中，這種輪轂?zāi)軌蚋玫爻惺苄旭傔^程中的沖擊和振動(dòng)，降低了輪轂變形和破裂的風(fēng)險(xiǎn)，提高了汽車行駛的安全性和舒適性。在高速行駛或復(fù)雜路況下，未添加該中間合金的輪轂容易出現(xiàn)疲勞裂紋，而添加后的輪轂則表現(xiàn)出更好的抗疲勞性能，保障了汽車的安全行駛。5.1.2航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例在航空航天領(lǐng)域，對(duì)材料的輕量化和高性能要求極為苛刻。鋁合金作為航空航天領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料，其性能的提升對(duì)于飛行器的性能和安全性至關(guān)重要。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的制造中，如機(jī)翼、機(jī)身框架等，使用添加Al-Er-Zr中間合金的鋁合金，能夠顯著提高材料的綜合性能。在某型號(hào)飛機(jī)的機(jī)翼制造中，采用了添加Al-Er-Zr中間合金的鋁合金材料。通過X射線衍射（XRD）分析和透射電子顯微鏡（TEM）觀察發(fā)現(xiàn)，合金中形成了細(xì)小彌散的Al?(Er,Zr)復(fù)合相，這些復(fù)合相與鋁基體保持良好的共格關(guān)系。這種微觀結(jié)構(gòu)使得鋁合金的強(qiáng)度和韌性得到了大幅提升。與未添加中間合金的鋁合金相比，添加Al-Er-Zr中間合金的鋁合金機(jī)翼材料抗拉強(qiáng)度提高了30-40%，屈服強(qiáng)度提高了25-35%，同時(shí)保持了良好的塑性，延伸率仍能達(dá)到15-20%。在飛機(jī)的飛行過程中，機(jī)翼需要承受巨大的空氣動(dòng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力，這種高性能的鋁合金材料能夠有效減輕機(jī)翼的重量，提高飛機(jī)的燃油效率和飛行性能，同時(shí)增強(qiáng)機(jī)翼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性，確保飛機(jī)在各種飛行條件下的安全。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件制造中，Al-Er-Zr中間合金也展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫、高壓和高轉(zhuǎn)速的極端條件下工作，對(duì)材料的高溫性能、抗氧化性能和疲勞性能要求極高。某航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)在制造發(fā)動(dòng)機(jī)葉片時(shí)，使用添加Al-Er-Zr中間合金的鋁合金。實(shí)驗(yàn)研究表明，添加中間合金后，鋁合金的高溫強(qiáng)度和抗氧化性能得到了顯著提高。在600℃的高溫環(huán)境下，添加Al-Er-Zr中間合金的鋁合金葉片的抗拉強(qiáng)度比未添加時(shí)提高了40-50%，抗氧化性能提高了30-40%。在發(fā)動(dòng)機(jī)的長期運(yùn)行過程中，葉片的疲勞壽命也得到了明顯延長，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和維護(hù)周期。由于葉片的性能提升，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率得到提高，燃油消耗降低，為航空航天領(lǐng)域的節(jié)能減排做出了貢獻(xiàn)。五、Al-Er-Zr中間合金在實(shí)際應(yīng)用中的細(xì)化表現(xiàn)5.1在鋁合金加工中的應(yīng)用案例5.1.1汽車零部件制造中的應(yīng)用在汽車零部件制造領(lǐng)域，鋁合金憑借其輕質(zhì)、高強(qiáng)度等特性，成為制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、輪轂等關(guān)鍵部件的理想材料。然而，傳統(tǒng)鋁合金在鑄造過程中存在晶粒粗大、組織不均勻等問題，嚴(yán)重影響了零部件的性能和使用壽命。將Al-Er-Zr中間合金應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的制造中，取得了顯著的效果。在某汽車制造企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)中，使用添加了Al-Er-Zr中間合金的鋁合金制造發(fā)動(dòng)機(jī)缸體。通過金相顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，鋁合金的晶粒得到了明顯細(xì)化，平均晶粒尺寸從原來的200-300μm減小至80-120μm。細(xì)化后的晶粒使發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的強(qiáng)度和硬度得到了顯著提升。在相同的測(cè)試條件下，添加Al-Er-Zr中間合金的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體抗拉強(qiáng)度提高了25-30%，布氏硬度提高了30-40%。這使得發(fā)動(dòng)機(jī)缸體在承受高溫、高壓和機(jī)械應(yīng)力時(shí)，能夠保持更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，有效減少了缸體的變形和開裂風(fēng)險(xiǎn)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和耐久性。在發(fā)動(dòng)機(jī)的長期運(yùn)行過程中，未添加Al-Er-Zr中間合金的缸體容易出現(xiàn)局部變形和裂紋，而添加了該中間合金的缸體則表現(xiàn)出更好的抗變形和抗裂紋能力，大大延長了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。在汽車輪轂制造中，Al-Er-Zr中間合金同樣發(fā)揮了重要作用。汽車輪轂在行駛過程中需要承受復(fù)雜的應(yīng)力和振動(dòng)，對(duì)材料的強(qiáng)度、韌性和疲勞性能要求較高。某輪轂生產(chǎn)企業(yè)采用添加Al-Er-Zr中間合金的鋁合金制造輪轂。通過掃描電子顯微鏡（SEM）分析發(fā)現(xiàn)，鋁合金中的第二相粒子（如Al?Er和Al?Zr相）均勻彌散分布，尺寸大多在1-3μm之間。這些細(xì)小彌散的第二相粒子不僅細(xì)化了晶粒，還阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高了鋁合金的強(qiáng)度和韌性。經(jīng)過疲勞測(cè)試，添加Al-Er-Zr中間合金的輪轂疲勞壽命提高了30-40%。在實(shí)際使用中，這種輪轂?zāi)軌蚋玫爻惺苄旭傔^程中的沖擊和振動(dòng)，降低了輪轂變形和破裂的風(fēng)險(xiǎn)，提高了汽車行駛的安全性和舒適性。在高速行駛或復(fù)雜路況下，未添加該中間合金的輪轂容易出現(xiàn)疲勞裂紋，而添加后的輪轂則表現(xiàn)出更好的抗疲勞性能，保障了汽車的安全行駛。5.1.2航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例在航空航天領(lǐng)域，對(duì)材料的輕量化和高性能要求極為苛刻。鋁合金作為航空航天領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料，其性能的提升對(duì)于飛行器的性能和安全性至關(guān)重要。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的制造中，如機(jī)翼、機(jī)身框架等，使用添加Al-Er-Zr中間合金的鋁合金，能夠顯著提高材料的綜合性能。在某型號(hào)飛機(jī)的機(jī)翼制造中，采用了添加Al-Er-Zr中間合金的鋁合金材料。通過X射線衍射（XRD）分析和透射電子顯微鏡（TEM）觀察發(fā)現(xiàn)，合金中形成了細(xì)小彌散的Al?(Er,Zr)復(fù)合相，這些復(fù)合相與鋁基體保持良好的共格關(guān)系。這種微觀結(jié)構(gòu)使得鋁合金的強(qiáng)度和韌性得到了大幅提升。與未添加中間合金的鋁合金相比，添加Al