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鋁鑄造：超聲波技術減少 TiB 晶粒細化儀的使用
什麼是晶粒細化？
鋁的晶粒結構在凝固過程中被細化，以獲得更小、更均勻的晶粒。最初的鑄 鋁 晶粒結構較粗，具有大的樹枝狀晶粒。它是由熔融鋁冷卻過程中的緩慢成核和快速生長引起的。這種晶粒結構會導致強度、延展性和開裂。存在微偏析的大晶粒會導致機械各向異性和應力集中。它使材料容易發生載荷失效。
細晶粒結構提高了鋁合金的機械性能。通過 Hall-Petch 關係，細顆粒（幾微米）可以提高產量和抗拉強度，同時防止位錯運動。細晶粒通過增加晶界面積來提高延展性，晶界面積可以吸收和重新分配應力，並降低裂紋的萌生和擴展。它還使屬性更加各向同性，以實現性能一致性。精細的微觀結構對於飛機和汽車部件是必需的。這就是重量和力量的關鍵所在。細小的顆粒使材料更加均勻和可預測，從而提高可加工性和表面光潔度。
鈦硼 TiB 在熔融鋁中作為晶粒細化劑的作用
鈦硼 （TiB） 影響凝固成核以細化熔融鋁晶粒。它為精細的等軸晶粒結構提供了成核位點。TiAl₃ 顆粒和硼化物化合物（如 TiB₂）在晶體學中類似於鋁，充當強核子。它們減少了成核能壘，使晶粒更容易形成，並防止樹枝狀結構生長。因此，許多小的、均勻分散的顆粒而不是少數大顆粒主導凝固。
TiB 在凝固過程中與鋁熔體發生化學反應。TiAl₃ 顆粒來源於鈦和鋁之間的熔融反應。雖然在高溫下不穩定，但這些顆粒與硼結合生成 TiB₂ 並使其成為核物質。TiB₂ 具有穩定的六方結構，晶格與鋁緊密匹配，可促進異質成核。在凝固前沿產生硼化物顆粒有望產生小而多的顆粒。TiB₂ 顆粒迅速成為鋁原子的原子核，使其在周圍凝固。它給出了精緻的微觀結構。
TiB 使用的挑戰
經濟和環境問題
TiB（包括 TiB₂）的高成本會影響鋁精煉生產成本。鈦是一種昂貴的金屬，使 TiB 合金變得昂貴。原材料的高成本和能源密集型方法使用於鋁精煉的TiB₂生產成為一項昂貴的業務。對於利潤受限的行業或原材料供應有限的地方來說，這很困難。例如，鈦市場狀況可能會影響 TiB 價格，從而導致製造成本不穩定。與更便宜的 AlTiB 中間合金相比，這種波動性可能使得鋁產品難以一致地定價。
使用 TiB 細化晶粒時，環境因素也很重要。基於 TiB 的商品可能會將鈦和硼化學物質排放到環境中，同時使製造和處置變得困難。在 TiB₂ 生產過程中管理危險化學品和垃圾必須避免環境污染。用過的 TiB 產品可能會將有害成分滲入土壤和水中，從而使處置變得困難。特殊的處置方法，包括受控的垃圾填埋或回收，會增加環境影響和運營費用。政府和環保組織對更可持續的冶金技術的要求也在不斷增長。因此，鈦硼 （TiB） 可能不如生態危害較低的晶粒細化劑那麼有吸引力。
TiB 晶粒細化劑在熔融鋁中的技術局限性
過度細化或晶粒尺寸不均勻的可能性在技術上會限制鋁的 TiB 晶粒細化。TiB 的晶粒細化效率取決於鋁熔體中的準確濃度和分佈。高濃度的 TiB 可能會使顆粒過度細化，使其變得太細。它可能會使鋁變得太脆而無法多次使用。相反，不均勻的 TiB 分佈可能會導致鋁晶粒尺寸的變化。材料強度和延展性的變化可能會在航空航太和汽車零部件等關鍵應用中引發故障。監測和調整穀物細化過程以實現理想的平衡是複雜的，需要稱職的操作員。
不正確的 TiB 處理也可能導致最終鋁產品中出現夾雜物或缺陷。熔體中未溶解的 TiB 顆粒可能表現為應力集中器，並在負載下導致早期擊穿。在需要材料完整性的高性能應用中，這很麻煩。例如，航空航太零件即使含有很小的夾雜物，也可能會失去疲勞壽命。TiB 夾雜物可能會阻礙軋制或擠壓，同時引起裂紋或表面缺陷。熔體必須充分混合並控制溫度，以減少此類風險。然而，TiB 是鋁晶粒細化的一把雙刃劍，因為此類限制會增加工作複雜性和成本。
隨著時間的推移，TiB₂ 顆粒可能會落到保溫爐的底部。它降低了他們的穀物精鍊功效，稱為「褪色效應」。。工業運營中的長時間持有加劇了這個問題。其他合金元素也可能影響 TiB 晶粒細化劑的有效性。例如，鉻、鋯和鋰會引起“中毒效應”。TiB₂ 可能與鋁熔體中的其他元素發生反應。它可以將不需要的相或化合物引入成品合金中。此外， 研究表明 ，與 TiB 晶粒細化劑相比，在 TiB 晶粒細化劑中添加 Ce 和 La 等稀土元素可能會增強成核併產生更細的晶粒結構。但同樣，這些修改會導致併發症和額外費用。