一种Al-Ta中间合金的低温铸造制备方法及其应用
阅读说明：本技术 一种Al-Ta中间合金的低温铸造制备方法及其应用 (Low-temperature casting preparation method and application of Al-Ta intermediate alloy ) 是由 王珊 黄浩博 陈畅 杜晓东 于 2021-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及金属材料技术领域,具体涉及一种Al-Ta中间合金的低温铸造制备方法及其应用,该合金由以下组分组成：2～20wt.％的Ta,余量为Al。在铸造铝硅合金中,该中间合金可以使铸造铝硅合金中α-Al和共晶硅得到细化。主要包括以下步骤：Al-Ta中间合金的熔炼以及在铸造铝硅合金中的应用,本发明Al-Ta中间合金对α-Al和共晶硅同时有细化效果,制备方法简单方便,具有较好的细化变质效果,应用前景好。(The invention relates to the technical field of metal materials, in particular to a low-temperature casting preparation method and application of an Al-Ta intermediate alloy, wherein the alloy consists of the following components in parts by weight: 2-20 wt.% of Ta, the balance being Al. In casting aluminum-silicon alloy, the intermediate alloy can refine alpha-Al and eutectic silicon in the casting aluminum-silicon alloy. The method mainly comprises the following steps: the Al-Ta intermediate alloy has refining effect on alpha-Al and eutectic silicon, and has simple and convenient preparation method, better refining and modification effect and good application prospect.)
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种Al-Ta中间合金的低温铸造制备方法及其应用。
背景技术
铝合金具有高的比强度、比刚度、断裂韧性和疲劳强度等特点，同时具有良好的铸造性能和高的耐腐蚀性能。其中铝硅铸造合金具有流动性好、铸件致密、不易产生铸造裂纹等特点，是铸造铝合金中最重要、品种最多的一个系列，在航空、航天、汽车、机械、化工等行业领域得到了非常广泛的应用。
通常，铝硅铸造合金的铸态组织中，α-Al枝晶粗大，共晶硅以针片状分布于枝晶间，严重降低了铝硅合金的力学性能和切削加工性能。因此，人们通过对铝硅合金进行变质处理以提高其力学性能，扩大其工业应用范围。细化组织是提高材料强度和塑性的重要手段之一，是改善铸造铝合金质量的重要途径。细化铸造组织的方法有很多，其中添加变质剂因为不需要昂贵的设备和复杂的操作，并且具有优异的效果而被广泛采用。因此，研制经济、高效、环保的变质剂具有重要的理论意义和巨大的经济价值。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
本发明的目的在于解决铝硅铸造合金的铸态组织中，α-Al枝晶粗大，共晶硅以针片状分布于枝晶间，严重降低了铝硅合金的力学性能和切削加工性能的问题，提供了一种Al-Ta中间合金的低温铸造制备方法及其应用。
为了实现上述目的，本发明公开了一种铸造铝合金用Al-Ta中间合金，包括2％～20％的钽，其余为铝。
所述中间合金的物相包括α-Al、TaAl3。
所述TaAl3相以纳米粒子或块状的形态分布在α-Al基体上。
所述TaAl3相的尺寸为纳米级或微米级。
本发明还公开了上述铸造铝合金用Al-Ta中间合金的制备方法，包括以下步骤：
S1：选择纯铝和纯钽作为原料；
S2：将纯铝块和纯钽粒等原料进行干燥处理，熔炼前在所有需要接触铝液的工具上涂上涂料并干燥处理，将石墨坩埚内壁涂上涂料放入电阻炉中干燥预热；
S3：将纯铝块加热到650℃～750℃保温，将干燥好的纯钽粒加入铝液中，并搅拌使钽粒均匀分布，将熔体温度调节至700℃～800℃保温，保温期间对Al-Ta合金熔体进行搅拌，每相邻两次搅拌的间隔时间不超过15min；；
S4：保温60～120min后，捞净Al-Ta合金熔体中的浮渣后，将Al-Ta合金熔体浇注于铸铁模具中，凝固后脱模得到Al-Ta合金，作为铸造铝硅合金用Al-Ta中间合金。
所述步骤S1中纯钽粒的直径为0.1～5mm。
所述步骤S4中在保温60～120min的Al-Ta合金的熔炼过程内，每间隔不超过15min对Al-Ta合金熔体进行一次搅拌，得到成分均匀的Al-Ta合金熔体。
本发明还公开了上述铸造铝合金用Al-Ta中间合金在铝硅合金细化中的应用。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：
1、本发明制备的Al-Ta中间合金，选用纯钽粒作为钽的原料，这是由于钽以粉末的形式添加容易在高温下氧化，从而污染熔体，因此选用纯钽粒来添加钽，有助于提高钽的利用率和应用效果；
2、本发明制备的Al-Ta中间合金对铝硅合金细化效果明显，对α-Al和共晶硅同时有细化效果，对铝硅合金力学性能的改善效果明显。并且熔体均匀，可以获得纳米级或微米级的TaAl3相；
3、本发明制备的Al-Ta中间合金，在熔炼时温度较低，工艺稳定，所需制备方法简单，操作方便，应用前景好。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的Al-5Ta中间合金的XRD图谱；
图2为本发明实施例1制备的Al-5Ta中间合金的SEM图；
图3为实施例4制备的加入Al-Ta中间合金后Al-7Si合金的金相照片；
图4为实施例5制备的加入Al-Ta中间合金后Al-7Si合金的金相照片；
图5为实施例6制备的加入Al-Ta中间合金后Al-7Si合金的金相照片；
图6为对比例未添加Al-Ta中间合金的Al-7Si合金的金相照片。
图7为Al-Ta中间合金对Al-7Si合金细化变质效果图；(a)未添加Al-Ta中间合金的Al-7Si合金；(b)实施例2制备的加入Al-Ta中间合金的Al-7Si合金；(c)实施例3制备的加入Al-Ta中间合金的Al-7Si合金；(d)实施例4制备的加入Al-Ta中间合金的Al-7Si合金。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例1
制备Al-5Ta中间合金，由以下重量百分比含量的元素组成：Ta：5％，余量为Al。
制备方法按照以下步骤进行：
(1)按元素组成选用纯度大于99.95％的纯铝锭、纯度大于99.95％的纯钽粒(钽粒的直径为0.1～5mm之间)作为原料，并将原料放入真空干燥箱内进行干燥；
(2)将所有接触铝液的工具涂上涂料，进行干燥处理，石墨坩埚放入井式电阻炉中干燥；
(3)先采用井式坩埚电阻炉将铝锭在650℃～750℃下进行熔化，将干燥好的纯钽粒压入铝液中，并搅拌使钽粒均匀分布，再将熔体温度调节至700℃～800℃保温；
(4)保温60～120min，期间每间隔不超过15min对Al-Ta合金熔体进行一次搅拌，以得到成分均匀的Al-Ta合金熔体；
(5)然后在捞净Al-Ta合金熔体中的浮渣后，将Al-Ta合金熔体浇注到铸铁模具中，凝固后脱模得到Al-5Ta中间合金。
图1为所得Al-5Ta中间合金的XRD图，从图中可以看出所制备的Al-5Ta中间合金物相组成为α-Al、TaAl3。图2为所得Al-5Ta中间合金的SEM图，从图中可以看出，大尺寸TaAl3相为块状，尺寸小于10μm。
实施例2
制备Al-12Ta中间合金，由以下重量百分比含量的元素组成：Ta：12％，余量为Al。未特别说明的制备步骤与实施例1相同，不同之处在于：
在所述步骤(3)中，将纯钽粒按照Ta重量百分比12wt.％压入熔体。
实施例3
制备Al-2Ta中间合金，由以下重量百分比含量的元素组成：Ta：2％，余量为Al。未特别说明的制备步骤与实施例1相同，不同之处在于：
在所述步骤(3)中，将纯钽粒按照Ta重量百分比2wt.％压入熔体。
实施例4
为证明本发明制备的Al-Ta中间合金的细化效果，制备了Al-7Si-0.1Ta合金，由以下重量百分比含量的元素组成：Si：7％，Ta：0.1％，余量为Al。
制备方法按以下步骤进行：
(1)按元素组成选用纯度大于99.95％的纯铝锭、Al-Ta中间合金、纯度大于99.95％的纯硅(硅块的直径为1mm～30mm)作为原料，并将原料放入真空干燥箱内进行干燥；
(2)将所有接触铝液的工具涂上涂料，并进行干燥处理，石墨坩埚放入井式电阻炉中干燥；
(3)先采用井式坩埚电阻炉将铝锭在650℃～750℃下进行熔化，将碎硅块压入铝液中，并搅拌使硅块在铝液中均匀分布，然后在660℃～750℃保温；
(4)保温20min后硅块完全熔化，搅拌后再静置保温5min，使熔体更加均匀；
(5)加入Al-Ta中间合金，搅拌后保温。
(6)保温5min后Al-Ta中间合金完全熔化，加入精炼剂并搅拌，搅拌后静置保温5min；
(7)加入扒渣剂并搅拌，保温5min后扒渣，扒渣后静置保温5min；
(8)将熔体浇注到铸铁模具中，得到铸锭。
图3为所得Al-7Si-0.1Ta合金的金相照片，由图片可以看出Al-Ta中间合金的细化效果。
实施例5
为证明本发明制备的Al-Ta中间合金的细化效果，制备了Al-7Si-0.5Ta合金，由以下重量百分比含量的元素组成：Si：7％，Ta：0.5％，余量为Al。未特别说明的制备步骤与实施例4相同，不同之处在于：
在所述步骤(5)中，Al-Ta中间合金按照Ta重量百分比0.5wt.％压入熔体。
图4为所得Al-7Si-0.5Ta合金的金相照片，由图片可以看出Al-Ta中间合金的细化效果。
实施例6
为证明本发明实施例1制备的Al-Ta中间合金的细化效果，制备了Al-7Si-1Ta合金，由以下重量百分比含量的元素组成：Si：7％，Ta：1％，余量为Al。未特别说明的制备步骤与实施例4相同，不同之处在于：
在所述步骤(5)中，Al-Ta中间合金按照Ta重量百分比1wt.％压入熔体。
图5为所得Al-7Si-1Ta合金的金相照片，由图片可以看出Al-Ta中间合金的细化效果。
对比例
为证明本发明制备的Al-Ta中间合金的细化效果，制备了未添加Al-Ta中间合金的Al-7Si合金作为对比，由以下重量百分比含量的元素组成：Si：7％，余量为Al。未特别说明的制备步骤与实施例3相同，不同之处在于：
在所述步骤(5)中，不添加Al-Ta中间合金。
图6为所得Al-7Si合金的金相照片，由图片可以看出，未添加Al-Ta中间合金的Al-7Si合金，α-Al和共晶硅的晶粒尺寸均大于加入Al-Ta中间合金的Al-7Si合金。
图7为Al-Ta中间合金对Al-7Si合金细化变质效果图，由图片可以看出，细化效果显著。加入Al-Ta中间合金后，Al-7Si合金晶粒组织变得更细、更加均匀。
综合上述实施例可知，本发明公开了一种铸造铝合金用Al-Ta中间合金及其制备方法和应用。该合金由以下质量百分比的组分组成：2～20wt.％的Ta，余量为Al。Al-Ta中间合金的物相包括α-Al、TaAl3，TaAl3以纳米粒子或块状的形态分布在α-Al基体上，TaAl3相的尺寸为纳米级或微米级。主要包括以下步骤：Al-Ta中间合金的熔炼以及在铸造铝硅合金中的应用。本发明Al-Ta中间合金对α-Al和共晶硅同时有细化效果，制备方法简单方便，具有较好的细化变质效果，应用前景好。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。