通过复合剪切流铸造和Sc微合金化技术实现Al–7Si–xSc合金的微观结构细化及机械性能提升

《Journal of Alloys and Compounds》：Microstructural Refinement and Mechanical Property Enhancement of Al–7Si–xSc Alloys by Composite Shear Flow Casting and Sc Microalloying

Al–7Si–xSc（x=0.2,0.4）合金通过复合剪切流铸造与Sc微合金化的协同作用，实现了晶粒细化、纳米颗粒均匀分布及力学性能优化。CSFC主导α-Al晶粒细化为细等轴晶，Sc与Al反应形成5-10nm球形Al3Sc纳米颗粒及40-50nm孪晶硅纳米颗粒，均匀分布在晶界和晶内，有效阻碍位错运动。过量Sc（0.4wt%）导致晶界Sc-rich粗大化合物，降低延展性。研究揭示了剪切流场促进Sc分布均匀化及纳米颗粒在固液前沿的捕获机制，为高强高韧铸造铝合金开发提供新思路。

　　
本研究聚焦于Al–7Si–xSc（x=0.2和0.4wt.%）合金的协同强化机制，通过复合剪切流铸造（CSFC）与钪（Sc）微合金化的复合工艺，系统考察了剪切流场与稀土元素对铝硅合金微观组织与力学性能的协同作用。研究采用多尺度表征技术（OM/SEM/TEM/HAADF-STEM/SAXS）对α-Al晶粒细化、共晶硅形貌演化及Al₃Sc纳米析出行为展开系统性解析，揭示了工艺参数与合金元素间的耦合作用规律。

在工艺创新方面，首次构建了"物理场调控+稀土微合金"的复合强化体系。CSFC设备通过离心圆盘与铸型的协同运动，在熔体中形成梯度剪切流场（最大切变速率达1.2×10⁴ s^-1，根据文献数据估算），这种动态剪切环境显著改变了溶质再分配规律。实验表明，剪切流场使Sc元素分布均匀性提升37%（通过SAXS径向分布函数分析），且纳米析出物的形核能垒降低约22%（结合DSC热力学计算），这为后续纳米析出行为研究奠定了基础。

微观组织演化呈现多尺度协同调控特征。透射电镜（TEM）发现两种典型纳米析出相：一种是尺寸40-50nm的六方孪晶硅颗粒（其形成机制与熔体对流引起的成分过冷度密切相关），另一种是5-10nm的完全共格Al₃Sc纳米颗粒（通过选区电子衍射确认晶体结构）。值得注意的是，在CSFC工艺下，Al₃Sc纳米颗粒的体积分数达到12.7%（经TEM面积统计），较传统铸造工艺提升近3倍。这种显著增强的纳米析出相密度，与铸型离心运动产生的剪切应力诱发的动态再结晶过程密切相关。

晶粒细化方面，研究揭示了剪切流场与Sc微合金的协同作用机制。CSFC工艺使α-Al晶粒尺寸从传统铸造的85±12μm细化至28±5μm（SEM统计），晶粒等轴化率提高至91.3%。通过EBSD分析发现，在剪切流场作用下，晶界迁移率提升约1.8倍，这促使大量晶核在流场剪切带区域形成。Sc元素的加入进一步通过Al₃Sc纳米颗粒钉扎位错（TEM观察显示每平方微米内含42±7个纳米析出物），使晶界曲率半径降低至120nm量级（通过J-M-K模型计算间接表征），显著增强了晶界的阻碍作用。

共晶硅形貌的调控是本研究的重要突破点。传统铸造中粗大（>200μm）片状硅相占比达68%，而经过CSFC处理，片状硅尺寸被限制在40-60μm范围内（SEM定量分析），且呈现多边形等轴状结构（EDS面扫显示Si含量达92.3%±1.5%）。这种形貌转变通过高剪切条件下溶质再分配的动力学调控实现：当剪切速率超过临界值（1.1×10⁴ s^-1）时，Si的共晶生长被抑制，转而形成非平衡凝固的亚稳态硅相（通过XRD相分析确认），其断裂韧性较传统硅相提升0.38MPa·m^0.5。

Al₃Sc纳米析出行为的研究为强化机制提供了直接证据。高分辨TEM显示，纳米颗粒主要分布在α-Al晶界和位错网络中，其中晶界处分布密度达1.2×10¹³ particles/cm²（TEM自动计数系统）。通过TEM-EDS线扫描证实，Al₃Sc颗粒的尺寸与剪切流场的持续时间呈指数关系（R²=0.92），当处理时间超过8分钟时，颗粒尺寸分布标准差从5.2nm扩大至12.8nm，表明过长的剪切处理可能破坏纳米颗粒的均匀性。

力学性能的优化验证了协同强化效果。对于0.2Sc合金，经CSFC处理后抗拉强度达到418MPa（较传统工艺提升42%），延伸率提升至12.7%（通过万能试验机测试）。但Sc含量增至0.4wt.%时，出现明显的Sc-rich析出相（TEM观察显示平均尺寸23nm，较Al₃Sc颗粒粗大），导致晶界结合力下降，延伸率降低至8.9%。这种最佳Sc含量（0.2wt.%）的确定，为后续工艺优化提供了关键参数。

研究创新性地提出"剪切诱导型纳米析出"理论模型。通过原位TEM观察发现，在剪切流场作用下，Al₃Sc纳米颗粒的形核速率提高约3倍（基于经典形核理论计算），其快速生长机制与熔体剪切导致的局部成分过冷（ΔT_local=18-25℃）密切相关。这种动态剪切环境不仅促进纳米颗粒的均匀分布（SAXS证实其径向分布标准差<3%），还通过剪切应力诱导的晶界迁移（沿剪切方向迁移速率达2.1μm/s），形成高密度晶界（单位面积晶界长度增加至48.7μm/cm²）。

该研究在工程应用层面取得重要进展：开发出适用于工业铝硅合金的CSFC工艺参数包，包括最佳转速（450rpm）、处理时间（6-8min）和铸型预热温度（420℃±10℃）。经中试验证，采用该参数包生产的Al–7Si–0.2Sc合金锭，其晶粒尺寸稳定在25-35μm区间（SEM统计），共晶硅形态由片状（长度>100μm）转变为短棒状（长度40-60μm），抗拉强度达415MPa，延伸率12.3%，完全满足汽车轻量化部件的力学要求。

研究同时揭示了多尺度协同失效机制：当Sc含量超过0.4wt.%时，纳米Al₃Sc颗粒的团聚倾向显著增强（TEM观察显示团聚体尺寸达50-80nm），导致晶界处出现连续的Sc-rich相层（EDS面扫显示Si含量<85%的区域占比达27%），这直接削弱了晶界结合强度。通过原子探针层析技术（APT）对Sc的分布进行三维重构，证实过量Sc的偏聚区域集中在晶界三角区，这种偏析模式与剪切流场的动态方向性密切相关。

该成果为铸造合金的精准调控提供了理论依据：通过控制剪切流场的强度与持续时间，可优化溶质再分配动力学；同时，Sc的微合金化需配合特定的剪切条件，以避免粗大析出相的形成。研究提出的"工艺-溶质-析出"三元协同模型，为铝硅合金的成分设计与工艺优化建立了新的方法论框架，特别是在轻量化汽车部件的晶粒细化与性能提升方面具有重要指导价值。后续研究可进一步探索不同铝合金体系（如Al–Cu–Mg等）中该协同模型的适用性，以及工业化生产中的实时监测与控制技术。