铝合金晶粒细化

合金的熔点低利于等轴晶的形成的原因是：

合金的结晶是在一定的温度范围内完成的，合金的熔点越低，其固液结晶温度区间就窄，结晶温度梯度就小，其不利于柱状晶的生长，而有利于等轴晶的形成，因此铸造性能也最好。

等轴晶，如黄铁矿，在三个垂直方向具有相同的长度。对于所有晶体来说，其立方等轴结构基本是完全对称的。由黄铁矿构成的石头硬度高，但质脆。晶粒在各方向上尺寸相差较小的晶粒叫等轴晶。

铸件的冷却过程,铸件热量散失直至铸件温度与环境温度达到平衡的过程.从这方面考虑,影响其冷却速度的因素有两方面,一是外部条件,二是内部条件.外部条件,如是否有冷却系统,所处环境是否通风等,这个很好理解；内部条件,如铸件壁厚、内部结构等,壁厚厚的地方比壁厚薄的地方散热快,因为厚度大所携带的能量也多,散热自然就慢一些,其次表面结构比内部结构散热快,因为热量散失是由内向外的辐射式散失.

搅拌摩擦焊FSW( Friction Stir Welding) 是由英国焊接研究所TWI ( The Welding Institute) 1991 年提出的新的固态塑性连接工艺。搅拌摩擦焊接工作原理是用一种特殊形式的搅拌头插入工件待焊部位，通过搅拌头高速旋转与工件间的搅拌摩擦，摩擦产生热使该部位金属处于热塑性状态，并在搅 拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动，从而使焊件压焊在一起。由于搅拌摩擦焊过程中不存在金属的熔化，是一种固态连接过程，故焊接时不存在熔焊的各种缺陷，可以焊接用熔焊方法难以焊接的有色金属材料，如铝及高强铝合金、铜合金、钛合金以及异种材料、复合材料焊接等。目前搅拌摩擦焊在铝合金的焊接方面研究应用较多。已经成功地进行了搅拌摩擦焊接的铝合金包括2000 系列(Al- Cu) 、5000 系列(Al - Mg) 、6000 系列(Al - Mg - Si) 、7000 系列(Al - Zn) 、8000 系列(Al - Li) 等。国外已经。进入工业化生产阶段，在挪威已经应用此技术焊接快艇上长为20 m 的结构件，美国洛克希德·马丁航空航天公司用该项技术焊接了铝合金储存液氧的低温容器火箭结构件。

铝合金搅拌摩擦焊焊缝是经过塑性变形和动态再结晶而形成，焊缝区晶粒细化，无熔焊的树枝晶，组织细密，热影响区较熔化焊时窄，无合金元素烧损、裂纹和气孔等缺陷，综合性能良好。与传统熔焊方法相比，它无飞溅、烟尘，不需要添加焊丝和保护气体，接头性能良好。由于是固相焊接工艺，加热温度低，焊接热影响区显微组织变化小，如亚稳定相基本保持不变，这对于热处理强化铝合金及沉淀强化铝合金非常有利。焊后的残余应力和变形非常小，对于薄板铝合金焊后基本不变形。与普通摩擦焊相比，它可不受轴类零件的限制，可焊接直焊缝、角焊缝。传统焊接工艺焊接铝合金要求对表面进行去除氧化膜，并在48 h 内进行加工，而搅拌摩擦焊工艺只要在焊前去除油污即可，并对装配要求不高。并且搅拌摩擦焊比熔化焊节省能源、污染小。

搅拌摩擦焊铝合金也存在一定的缺点： ①铝合金搅拌摩擦焊接时速度低于熔化焊； ②焊件夹持要求高，焊接过程中对焊件要求加一定的压力，反面要求有垫板；③焊后端头形成一个搅拌头残留的孔洞，一般需要补焊上或机械切除； ④搅拌头适应性差，不同厚度铝合金板材要求不同结构的搅拌头，且搅拌头磨损快； ⑤工艺还不成熟，目前限于结构简单的构件，如平直的结构、圆形结构。搅拌摩擦焊工艺参数简单，主要有搅拌头的旋转速度、搅拌头的移动速度、对焊件的压力及搅拌头的尺寸等。

(二)、 铝合金的激光焊接

铝及铝合金激光焊接技术(Laser Welding) 是近十几年来发展起来的一项新技术，与传统焊接工艺相比，它具有功能强、可靠性高、无需真空条件及效率高等特点。其功率密度大、热输入总量低、同等热输入量熔深大、热影响区小、焊接变形小、速度高、易于工业自动化等优点，特别对热处理铝合金有较大的应用优势。可提高加工速度并极大地降低热输入，从而可提高生产效率，改善焊接质量。在焊接高强度大厚度铝合金时，传统的焊接方法根本不可能单道焊透，而激光深熔焊时形成大深度的匙孔，发生匙孔效应，则可以得到实现。

激光焊接铝合金有以下优点： ①能量密度高，热输入低，热变形量小，熔化区和热影响区窄而熔深大； ②冷却速度高而得到微细焊缝组织，接头性能良好； ③与接触焊相比，激光焊不用电极，所以减少了工时和成本； ④不需要电子束焊时的真空气氛，且保护气和压力可选择，被焊工件的形状不受电磁影响，不产生X 射线； ⑤可对密闭透明物体内部金属材料进行焊接； ⑥激光可用光导纤维进行远距离的传输，从而使工艺适应性好，配合计算机和机械手，可实现焊接过程的自动化与精密控制。

现在应用的激光器主要是CO2 和YAG 激光器，CO2 激光器功率大，对于要求大功率的厚板焊接比较适合。但铝合金表面对CO2 激光束的吸收率比较小，在焊接过程中造成大量的能量损失。YAG激光一般功率比较小，铝合金表面对YAG激光束的吸收率相对CO2激光较大，可用光导纤维传导，适应性强，工艺安排简单等。

在焊接大厚度铝合金时，传统的焊接方法根本不可能单道焊透，而激光深熔焊时形成大深度的匙孔，发生匙孔效应，则可以得到实现。

铝及铝合金的激光焊接难点在于铝及铝合金对辐射能的吸收很弱对CO2 激光束(波长为10. 6μm) 表面初始吸收率1. 7 %；对YAG激光束(波长为1. 06 μm)吸收率接近5 %。比较复杂高频引弧时引起电极烧损和电弧摆动，起弧后稳定性不强，同时在电弧的高温状态下，电极迅速烧损。但激光与等离子弧复合可明显提高熔深和焊接速度 。

铝合金激光- 电弧复合焊工艺中可控参数较多，主要有以下几方面。①激光功率和电弧电流电压等：复合焊接对激光功率要求降低，同时功率因素对工艺影响很大，激光功率越大，熔深越大，而且这种影响力远大于激光单独焊接时对熔深的影响，增加电弧电源功率，熔化区宽度增加，热影响区增大，若采用脉冲YAG激光器，可调节脉冲频率和宽度以能提高工艺稳定性，减少气孔的形成； ②焊接速度参数：随焊接速度的增加，焊接热输入降低，焊缝熔深降低，而且不同的焊接速度影响匙孔的作用有所不同，从而影响焊接的稳定性； ③激光与电弧中心的距离：在一定范围内，激光与电弧中心距DLA11越小则熔深越大，此时增加电弧电流不仅增加熔宽，而且增加熔深； ④激光与电弧配合方式：国际上对复合焊的研究一般采用激光垂直入射，电弧与激光束成一定角度，沿焊接方向激光或在电弧前或在电弧后，不同的设计安排影响复合焊接的工艺稳定性和焊接气孔、裂纹的形成； ⑤填充材料的影响：通过填充焊丝、粉末来补充合金元素的烧损，增加焊缝强度，改善工艺性能，防止热裂纹； ⑥保护气体成分及流速：复合焊中保护气体一般为Ar 、He 或Ar/ He 混合气体，Ar 的电离能低，易于形成等离子体，与激光束光子形成耦合作用，不利于保护，所以纯He 气比纯Ar 气保护效果好，但从经济角度来看Ar气更经济一些，国外有用Ar75%+He25%混合气保护进行激光焊接，效果良好，且可改善工艺性能。其它还有一些因素影响，如焊前铝合金表面的清洁，氧化膜的去除，焊后热处理等。当焊接高强度厚板铝合金时，可采用多道焊工艺达到完全熔透焊接，但厚板铝合金焊接易产生气孔、热裂纹及焊缝软化等问题，且其过程比较复杂。厚板铝合金焊接变形严重，所以必须采用一些防变形的工艺。

(三)、 铝合金的电子束焊接

电子束焊是指在真空环境下，利用会聚的高速电子流轰击工件接缝处产生的热能，使被焊金属熔合的一种焊接方法。电子束作为焊接热源的突出特点是功率密度高、穿透能力强、精确、快速、可控、保护效果好。对于铝合金电子束焊接，由于能量密度高可大大减小热影响区，提高焊接接头强度，避免热裂纹等缺陷的产生。由于能量密度高，穿透能力强可对难以焊接的铝合金厚板进行焊接。

同传统电弧焊接铝合金相比，电子束焊能量密度高3～4 个数量级，与另外一种高能量密度焊接工艺——激光焊接相当。因此焊接接头的热影响区非常小，接头强度较传统焊接方法提高很多。电子束的穿透性能好，可对大厚度的铝合金进行施焊，焊后接头力学性能良好。铝合金焊缝金属的抗裂性能随着焊接能量密度的增加和热输入的减少而增加。所以铝合金电子束焊接接头的抗裂性能要比采用传统焊接方法的焊接接头高很多，一般要比氩弧焊焊缝高出1～1. 5 倍。铝合金电子束焊焊后残余应力小，变形小，对薄板焊后几乎可做到不变形。电子束焊要求在真空条件下完成，真空是最好的保护手段，在这种条件下可以得到纯净的焊缝金属，避免了空气或保护气体的污染。电子束焊接铝合金在真空重熔时，焊缝中杂质含量微乎其微，焊缝气体含量降低接近一半，从而焊缝塑性、韧性大大提高。电子束可控性好，可以方便地进行扫描、偏转、等，易于焊接过程的自动化，并且通过电子束扫描熔池可以消除缺陷，提高接头质量 。

电子束焊接获得优良的焊缝的最有效方法是焊接过程中同时对刚刚焊过的焊缝进行扫描。回扫间距决定晶粒细化的可控程度，凝固组织可由粗大的柱状晶转化为细小等轴晶。对AlMg0. 4Si1. 2 合金进行扫描焊接与无扫描焊接相比，晶体主轴长度减少到无扫描焊接时的1/ 5 ；焊缝硬度提高80% ，接近母材水平。铝合金焊缝金属晶粒细化程度对接头性能有重要影响。采用具有回扫运动的电子束扫描焊接，可减少合金元素的损失，细化焊缝组织，使之变为细小的等轴晶，并提高硬度。对于已经成核生长的晶体，如果电子束扫描间距过小在电子束扫描时产生重熔，但导致电子束回扫细化晶粒的作用减弱 。

铝合金电子束焊时对电子束流非常敏感，尤其是对于大厚度铝合金板焊接时，电子束流小时不能焊透，大时产生下塌，出现凹坑。铝合金电子束焊接的另外一个难点是焊接气孔。铝合金表面的氧化膜主要成分是Al2O3 和MgO ，容易吸收大量的水分是铝合金焊缝中气孔的主要来源。铝合金表面氧化膜比重接近基体，容易进入焊缝产生夹杂、气孔。尤其是防锈铝合金电子束焊，气孔问题较为严重。传统TIG 焊铝合金时通常采用大的热输入量并在较低的焊接速度下进行焊接，促使氢从熔池中逸出，而电子束焊接铝合金时速度快，热输入量小，氢来不及从熔池中逸出，容易形成气孔。通常电子束焊铝合金采用表面下聚焦和较窄的焊缝以及扫描重熔的方法来防止气孔的产生。另外，电子束焊接要求在真空条件下进行，所以对铝合金大型结构件施焊困难。电子束易受周围环境电磁场的影响，设备比较复杂，费用比较昂贵，所以还没有达到大规模工业化生产。

近年来发展的局部真空电子束焊接工艺很好地解决了铝合金电子束焊接大型构件的问题。Drauge2lates 等人成功地对AlMg5Mn 和AlMg0. 4Si1. 2 合金进行了局部真空高速电子束焊接结果表明在60 m/min的高速下焊接可生产出无焊接缺陷的焊缝可见局部真空电子束焊接铝合金具有相当好的发展前景是焊接铝合金的一种先进工艺。

等轴晶，晶粒在各方向上尺寸相差较小的晶粒叫等轴晶。如黄铁矿，在三个垂直方向具有相同的长度。对于所有晶体来说，其立方等轴结构基本是完全对称的。

有时候晶粒一词也用来泛指岩石中晶质矿物的颗粒。此时又可根据其晶形发育程度分为：自形——具有该种矿物比较完整的应有的晶形特征；半自形——仅具有该种矿物应有晶形的大致轮廊；他形——因受周围晶粒的限制而生长成任意的不规则状。

扩展资料：

晶粒移动规则：

1、晶界上有界面能的作用，因此晶粒形成一个在几何学上与肥皂泡相似的三维阵列。

2、晶粒边界如果都具有基本上相同的表面张力，晶粒呈正六边形。

3、在晶界上的第二类夹杂物（杂质或气泡）,如果它们在烧结温度下不与主晶相形成液相,则将阻碍晶界移动。

在烧结体内晶界移动有以下七种方式： 气孔靠晶格扩散移动； 气孔靠表面扩散移动； 气孔靠气相传递； 气孔靠晶格扩散聚合； 气孔靠晶界扩散聚合； 单相晶界本征迁移； 存在杂质牵制晶界移动。

参考资料来源：百度百科－晶粒

参考资料来源：百度百科－等轴晶

不能。

金属的晶粒发生再结晶行为是因为本身之前发生了冷变形，晶粒内部储存有较高的能量，从热力学第二定律的意义上讲是不稳定的，一旦外界提供能量助其突破势垒，它会自发地释放出这些能量冰箱能量更低、更稳定的状态转变，也就是通过在原先的变形晶粒的基础上发生新晶粒的重新形核和长大的方式进行转变。

理想的铸锭组织是铸锭整个截面上具有均匀、细小的等轴晶，这是因为等轴晶各向异性小，加工时变形均匀、性能优异、塑性好，利于铸造及随后的塑性加工。要得到这种组织，通常需要对熔体进行细化处理。

扩展资料

晶粒细化法的关键是选择合适的晶粒细化剂。比如在铝合金中，最为困难的是选择合适Al-Ti-B晶粒细化剂的Ti/B比例。近年来，对于铸造铝合金，有的学者开始采用新型AIB晶粒细化剂，用以生产具有非枝晶组织结构的铝合金坯料。

化学晶粒细化法的缺点是晶粒细化剂只对某些特定的合金系有作用，有时这些晶粒细化剂会成为非金属夹杂残留在产品中，降低非枝晶组织坯料在半固态加工时的加工性能，并对最终产品的机械性能造成影响。

参考资料来源：百度百科-化学晶粒细化法

参考资料来源：百度百科-晶粒细化

1、概念不同

等轴晶，晶粒在各方向上尺寸相差较小的晶粒叫等轴晶。柱状晶的性能有方向性，故而例如钢等塑性较差的合金如果柱状晶比率高的话，容易导致再热加工破裂。

液体金属凝固时，固体晶核沿某些晶向生长较快，导致形成具有树枝状的晶体，简称枝晶。一般的枝晶尺寸很小，长度为数毫米。枝晶由几万或百万个晶粒构成。在一个枝晶内的晶粒有相近的位向。严重的枝晶组织对热塑性有不良影响。

2、用途不同

等轴晶、枝晶、柱状晶一般是在铸造中用到的，是指结晶时形成形态为轴、枝、柱的晶粒，形成不同形态的晶粒的原因是结晶时固，液界面前沿的温度梯度不同（正、负或大、小）。奥氏体晶是指奥氏体的晶粒，奥氏体是一种组织。

3、形态不同

金属的结晶方式都是树枝状结晶，等轴晶是树枝晶的常态，柱状晶只是树枝晶的特例；树枝晶、柱状晶、等轴晶表明了晶粒在空间中的不同形态；奥氏体晶是具有某种晶格结构的具体晶粒，它在结晶时的形态可以是上述晶粒形态的任何一种。

树枝晶在结晶时，固液界面将以树枝方式在空间中迁移，这样形成的晶粒称树枝晶，简称枝晶；柱状晶在结晶时固液界面只能在空间中的一个方向自由迁移，其他两个方向受限制，这样形成的晶粒称柱状晶；等轴晶在结晶时，固液界面能够在空间各个方向自由迁移，这样形成的晶粒称为等轴晶；奥氏体晶在晶格结构为面心立方的晶体。

4、外观不同

等轴晶在显微镜下观察是有棱有角的，比较方，很漂亮，呈轴对称，经常是再结晶晶粒。区别于孪晶，孪晶一般是细长的，一中心线呈镜面对称，枝晶顾名思义就是树枝状晶粒，也或者不叫晶粒，铸锭三区其中之一，在显微镜下观察，柱状晶不仅有一次柱状晶还有二次三次晶，就是说不仅有主干还有叉。

参考资料：

百度百科-等轴晶

百度百科-枝晶

百度百科-柱状晶

方法：

（1）在液态金属结晶时，提高冷却速度，增大过冷度，来促进自发形核。晶核数量愈多，则晶粒愈细。

（2）在金属结晶时，有目的地在液态金属中加入某些杂质，做为外来晶核，进行非自发形核，以达到细化晶粒的目的，此方法称为变质处理。这种方法在工业生产中得到了广泛的应用。如铸铁中加入硅、钙等。

（3）在结晶过程中，采用机械振动、超声波振动、电磁搅拌等，也可使晶粒细化。

因为一般地说，在室温下，细晶粒金属具有较高的强度和韧性，所以需要细化晶粒。

扩展资料：

理想的铸锭组织是铸锭整个截面上具有均匀、细小的等轴晶，这是因为等轴晶各向异性小，加工时变形均匀、性能优异、塑性好，利于铸造及随后的塑性加工。要得到这种组织，通常需要对熔体进行细化处理。

都与过冷度有关，过冷度增加，形核率与长大速度都增加，但两者的增加速度不同，形核率的增长率大于长大速度的增长率。在一般金属结晶时的过冷范围内，过冷度越大，晶粒越细小。

铝及铝合金铸锭生产中增加过冷度的方法主要有降低铸造速度、提高液态金属的冷却速度、降低浇注温度等。

但是，如果没有较多的游离晶粒的存在，增加激冷作用反而不利于细晶粒区的形成和扩大。

动态晶粒细化就是对凝固的金属进行振动和搅动，一方面依靠从外面输入能量促使晶核提前形成，另一方面使成长中的枝晶破碎，增加晶核数目。当前已采取的方法有机械搅拌、电磁搅拌、音频振动及超声波振动等。

利用机械或电磁感应法搅动液穴中熔体，增加了熔体与冷凝壳的热交换，液穴中熔体温度降低，过冷带增大，破碎了结晶前沿的骨架，出现了大量可作为结晶核的枝晶碎块，从而使晶粒细化。

1.晶界上有界面能的作用，因此晶粒形成一个在几何学上与肥皂泡相似的三维阵列。

2.晶粒边界如果都具有基本上相同的表面张力，晶粒呈正六边形。

3.在晶界上的第二类夹杂物（杂质或气泡）,如果它们在烧结温度下不与主晶相形成液相,则将阻碍晶界移动。

在烧结体内晶界移动有以下七种方式： 气孔靠晶格扩散移动； 气孔靠表面扩散移动； 气孔靠气相传递； 气孔靠晶格扩散聚合； 气孔靠晶界扩散聚合； 单相晶界本征迁移； 存在杂质牵制晶界移动。

参考资料：百度百科——晶粒细化