再生铝含量与热处理工艺对AlSi10MnMg汽车结构件微观组织、力学性能及可持续性的影响机制研究

本研究针对再生铝合金因Fe杂质导致脆性相析出、力学性能下降的问题，通过对比原生与再生AlSi10MnMg(EN AB 43500)合金在铸态、退火及T6热处理条件下的微观组织演变与力学性能差异，揭示了热处理通过促进共晶Si球化（spheroidization）和粗化（coarsening）提升延伸率40-50%的机制，尽管伴随强度降低20-30%。研究为平衡汽车结构件强度-塑性需求及降低碳排放提供了工艺优化依据，成果发表于《Sustainable Materials and Technologies》。

　　

随着全球对碳中和目标的推进，汽车工业正面临轻量化与可持续性的双重挑战。铝合金因其优异的比强度成为理想材料，但传统原生铝生产的高能耗（约15,000 kWh/吨）和碳排放（8-12吨CO₂
/吨）问题突出。相比之下，再生铝仅需5%的能源即可生产，但面临严峻的技术瓶颈——废料中的Fe元素会形成β-Al₅
FeSi等脆性金属间化合物，导致材料延伸率骤降，难以满足安全关键结构件的要求。这一矛盾促使研究者探索如何通过工艺优化实现再生铝合金性能与可持续性的平衡。

针对这一难题，研究人员以高压压铸（HPDC）成型的AlSi10MnMg合金为对象，系统比较了原生与再生材料在铸态、退火及T6热处理条件下的性能差异。研究选取某车型结构件作为样本来源，采用场发射扫描电镜（FESEM）定量分析微观组织特征，结合拉伸试验评估力学性能变化，并通过生命周期评估（LCA）量化不同工艺的能耗差异。

微观结构分析显示，原生与再生合金在铸态下具有相似的孔隙率（约1.2-1.5%），且Fe-rich相形貌均为针状β-Al₅
FeSi和多边形α-Al₁₅
(Fe,Mn)₃
Si₂
。这种结构相似性解释了二者力学性能的趋同性：铸态下延伸率仅3.5-4%，远低于结构件要求的6%阈值。

热处理效应方面，退火使共晶Si发生部分球化，延伸率提升至5.1-5.8%，但屈服强度（YS）从160 MPa降至110 MPa；T6处理通过更彻底的Si相重构（spheroidization degree >80%），延伸率飙升至7.2-7.8%，但抗拉强度（UTS）从320 MPa降至260 MPa。值得注意的是，再生合金经T6处理后延伸率可达原生材料的97%，证明其性能可修复性。

可持续性评估揭示热处理的环境代价：退火和T6分别增加25%和30%的能耗，但再生合金整体碳足迹仍比原生材料低62%。研究特别指出，T6工艺的能耗增量可通过部件减重设计的生命周期效益抵消。

结论表明，再生AlSi10MnMg合金通过优化热处理可实现与原生材料相当的塑性指标，为汽车结构件提供了兼具力学性能与环保优势的解决方案。该研究不仅阐明了Si相演变（eutectic Si modification）与力学性能的构效关系，更建立了热处理工艺选择与可持续目标的量化关联，对推动循环经济在交通领域的应用具有重要指导意义。