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铝铸造：超声波技术减少 TiB 晶粒细化剂的使用量
什么是谷物精炼？
铝的晶粒结构在凝固过程中得到细化，晶粒更小、更均匀。最初的铸铝晶粒结构较粗，晶粒较大，呈树枝状。这是由于铝熔体在冷却过程中缓慢成核和快速增长造成的。这种晶粒结构会降低强度、延展性和开裂。存在微偏析的大晶粒会导致机械各向异性和应力集中。这使材料容易在负荷下失效。
细晶粒结构可提高铝合金的机械性能。通过霍尔-佩奇关系，细晶粒（几微米）可提高屈服强度和抗拉强度，同时防止位错移动。细晶粒通过增加晶界面积来提高延展性，从而吸收和重新分配应力，降低裂纹的产生和扩展。此外，细晶粒还能使性能更各向同性，从而实现性能的一致性。细晶粒微结构是飞机和汽车部件所必需的。这也是重量和强度的关键所在。细晶粒使材料更均匀、更可预测，从而提高机加工性能和表面光洁度。
钛硼 TiB 在熔融铝中作为晶粒细化剂的作用
钛硼 (TiB) 可影响凝固成核，从而细化铝熔体晶粒。它为细小的等轴晶粒结构提供了成核点。钛铝（TiAl₃）颗粒和硼化物（如钛硼（TiB₂））在结晶学上类似于铝，是一种强成核剂。它们能降低成核能垒，使晶粒更容易形成，并防止树枝状结构的生长。因此，在凝固过程中占主导地位的是许多均匀分散的小晶粒，而不是几个大晶粒。
TiB 在凝固过程中与铝熔体发生化学反应。钛铝（TiAl₃）颗粒源自钛和铝之间的熔融反应。虽然在高温下不稳定，但这些颗粒与硼结合生成 TiB₂，并使其成为成核物质。TiB₂具有稳定的六角形结构，与铝的晶格非常接近，可促进异质成核。在凝固前沿形成硼化物颗粒可产生小而多的晶粒。很快，TiB₂ 颗粒就会成为铝原子的原子核，并在其周围凝固。这样就形成了精细的微观结构。
使用 TiB 所面临的挑战
经济和环境问题
TiB（包括 TiB₂）的高成本影响了铝精炼的生产成本。钛是一种昂贵的金属，使 TiB 合金价格昂贵。原材料的高成本和能源密集型方法使铝精炼的 TiB₂ 生产成本高昂。这对于利润有限的行业或原材料供应有限的地方来说是很困难的。例如，钛的市场状况可能会影响钛白粉的价格，从而导致生产成本不稳定。与更便宜的 AlTiB 母合金相比，这种不稳定性可能会使铝产品的价格难以保持一致。
使用 TiB 精炼谷物时，环境因素也很重要。以钛硼为基础的产品可能会向环境排放钛和硼化学物质，同时给生产和处理带来困难。在 TiB₂ 生产过程中对危险化学品和垃圾的管理必须避免环境污染。废弃的钛硼产品可能会将有害成分渗入土壤和水中，从而使处置成为难题。特殊的处理方法，包括受控填埋或回收利用，会增加对环境的影响和运营成本。政府和环保组织对更具可持续性冶金的监管要求也在不断提高。因此，钛硼 (TiB) 的吸引力可能不如生态危害较低的谷物精炼剂。
熔融铝中 TiB 晶粒细化器的技术限制
过度细化或晶粒大小不均的可能性会在技术上限制 TiB 对铝的晶粒细化。TiB 的晶粒细化效率取决于其在铝熔体中的精确浓度和分布。高浓度的 TiB 可能会过度细化晶粒，使其变得过细。这可能会使铝变得太脆，无法满足多种用途。相反，TiB 分布不均可能导致铝晶粒大小的变化。材料强度和延展性的变化可能会在航空航天和汽车部件等关键应用中引发故障。监控和调整晶粒细化过程以实现理想的平衡是一项复杂的工作，需要有能力的操作人员来完成。
不正确的 TiB 处理还可能导致最终铝制品中出现夹杂物或缺陷。熔体中未溶解的 TiB 颗粒可能会充当应力集中器，导致负载下的早期破坏。这在需要材料完整性的高性能应用中很麻烦。例如，即使是很小的夹杂物，也可能导致航空航天零件失去疲劳寿命。TiB 杂质可能会阻碍轧制或挤压，同时诱发裂纹或表面缺陷。熔体必须充分混合并控制温度，以降低此类风险。然而，TiB 在铝晶粒精炼中是一把双刃剑，因为这种限制会增加工作复杂性和成本。
随着时间的推移，TiB₂ 颗粒可能会掉落到保温炉的底部。这会降低晶粒的精炼效果，即所谓的 "褪色效应"。工业生产中长时间的保温会加剧这一问题。其他合金元素也会影响 TiB 晶粒细化器的效果。例如，铬、锆和锂会导致 "中毒效应"。TiB₂ 可能会与铝熔体中的其他元素发生反应。它可能会在成品合金中引入不良相或化合物。此外，研究表明，在 TiB 晶粒细化剂中添加稀土元素（如 Ce 和 La）可能会增强晶核形成，并使晶粒结构比单独使用标准细化剂更精细。但这些改良同样会带来复杂性和额外费用。