铜（Cu）、镁（Mg）和铁（Fe）在高压压铸Al-Si合金微观结构及变形异质性中的作用

《Journal of Alloys and Compounds》：The Role of Cu, Mg and Fe in Microstructure and Deformation Heterogeneity of High-pressure Die-Casting Al-Si Alloys

本研究通过调控Cu、Mg、Fe元素含量，结合HR-DIC与EBSD技术，系统分析第二相与孔隙率对Al-Si合金变形异质性和断裂行为的影响，提出优化合金成分策略。

　　

杨宇彤|黄世瑶|郑江|长海美|杨莉|程晓农|韩伟健

中国苏州苏州大学，215000

摘要

本研究旨在通过调整Cu、Mg和Fe的添加量，探讨高压压铸（HPDC）Al-Si合金的强度-韧性平衡策略。采用原位电子背散射衍射（EBSD）结合高分辨率数字图像相关技术（HR-DIC）来分析Al-Si合金的微观结构和变形异质性。结果表明，增加Cu含量会增大孔隙率并降低延伸率。此外，富Fe相在第二相中引起了最大的应变局部化现象，而富（Cu, Mg）相则表现出较低的应力集中和裂纹形成。第二相的应变局部化能力与颗粒尺寸（D）、形状因子（SF）和长宽比（AR）密切相关。因此，在Cu含量低于0.4%时，减少大尺寸富Fe相并促进Q-Al₅Cu₂Mg₈Si₆相的形成是提高HPDC Al-Si合金强度的有效方法。这一方法将拓宽其在承重结构部件中的应用范围。

引言

高压压铸（HPDC）Al-Si合金广泛应用于电动汽车行业，尤其是制造具有复杂结构的薄壁部件[1]、[2]。其中，Al-7Si-0.2Mg合金是最重要的非热处理HPDC合金，已被用于制造后地板结构。尽管Al-7Si-0.2Mg具有良好的塑性，但其相对较低的强度限制了其在承重结构部件（如电池包和减震塔）中的应用。通过合金设计调节合金的强度-韧性平衡是一种有效的策略[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。目前，向HPDC Al-7Si-0.2Mg中添加微合金元素以调节性能是一个研究热点。

控制HPDC Al-Si合金中的Cu、Mg和Fe元素可以调节其微观结构和机械性能[8]、[9]。添加Cu和Mg可以增强HPDC Al-Si合金的强度，并促进多种（Cu, Mg）富相的形成[10]、[11]、[12]、[13]。然而，强度的提高通常会导致韧性降低[14]、[15]。由于微观结构的复杂性，各种第二相对韧性降低的贡献尚未得到明确确定。HPDC Al-Si合金中的Fe元素会形成有害的针状β-Al₅FeSi相，从而降低韧性[16]、[17]。因此，提出使用Mn元素来形成危害较小的α-Al₁₅(Fe, Mn)₃Si₂相[18]。尽管有研究表明这可以有效提高合金的韧性，但Mn/Fe比例的控制和总添加量尚未得到充分研究。此外，孔隙率与合金成分密切相关。接近共晶点（wt.% Si=12.5%）的Al-Si合金表现出较低的孔隙率[19]。另外，研究显示孔隙率大小随Fe含量的增加而增大[20]、[21]。然而，其他关键合金元素（如Mg、Cu和Mn）对孔隙率的影响鲜有报道。此外，尽管这些研究报道了合金元素、第二相和孔隙率之间的关系，但它们对变形异质性和断裂模式的竞争机制仍不清楚。这给考虑多种元素的合金设计带来了复杂性。

第二相[8]、[22]和孔隙[18]、[23]、[24]会引发应变局部化和裂纹，显著影响机械性能。然而，这一结论尚不足以指导合金设计，因为HPDC Al-Si合金中的孔隙几乎是不可避免的。虽然第二相降低了合金的塑性，但它们也决定了材料的强度。因此，定量分析和比较Al-Si合金中孔隙与第二相之间的变形异质性是必要的。高分辨率数字图像相关技术（HR-DIC）可用于研究变形异质性，从而阐明其对机械性能的影响。例如，张等人[25]指出，HPDC AM60合金中的孔隙会导致变形过程中的应变异质性，主要降低韧性。杨等人[26]比较了HPDC Al-Si合金中孔隙与富Fe相之间的变形异质性，认为孔隙是裂纹传播的主要因素。然而，这些研究仅限于少数大规模的微观结构特征，而非系统性分析。在异质性的Al-Si-Mg-Cu合金中，通常存在多种第二相、共晶Si和α-Al基体[13]，这使得评估变形异质性变得复杂。

在本研究中，结合使用HR-DIC和原位扫描电子显微镜（SEM）与电子背散射衍射（EBSD）来研究Cu、Mg和Fe元素在HPDC Al-Si合金中的作用。系统分析了（Cu, Mg）富相、富Fe相和孔隙的竞争变形机制、应变异质性和断裂模式。这一理解将有助于设计出具有优化强度-韧性平衡的HPDC Al-Si合金。

材料制备

Cu/Mg和Mn/Fe的比例决定了形成的（Cu, Mg）富相和富Fe相的类型。具体来说，当Cu/Mg比例超过0.65时，才会形成Q-Al₅Cu₂Mg₈Si₆和θ-Al₂Cu相[13]。此外，在Al-7Si-0.2Mg合金中添加Mn会用α-Al₁₅(Mn, Fe)₃Si₂相替代β-Al₅FeSi相[26]。因此，根据Al-7Si-0.2Mg合金（A01）的化学成分，制备了B01、B02、B03和B04四种合金，并控制了Cu/Mg和Mn/Fe的比例。

沿厚度方向的微观结构

如图3所示，五种实验合金的微观结构呈现出沿厚度方向的“三明治”结构。OM图像的拼接显示了五种制备合金的表层、偏聚带和核心。表层主要由平均粒径为6.1 μm的细小颗粒组成，共晶相面积占比为31.3%，如图3(a)的放大图像所示。这归因于相对较低的模具

Cu、Mg和Fe对凝固路径和第二相的影响

实验结果证实，Cu、Mg和Fe元素促进了不同尺寸/形态的第二相的形成。这些相决定了应变异质性，从而影响机械性能。因此，了解它们的形成机制至关重要。接下来将分别讨论两类第二相：富Fe相和（Cu, Mg）富相。

结论

• (1)
  HPDC Al-Si合金中的Cu、Mg和Fe元素形成了包括α-Al₁₅(Fe, Mn)₃Si₂、β-Al₅FeSi、β-Mg₂Si、Q-Al₅Cu₂Mg₈Si₆和θ-Al₂Cu在内的金属间化合物。富Fe相的形成受Mn/Fe比例的影响，当比例达到6:1时，会抑制有害的β-Al₅FeSi相的形成。当Cu/Mg比例超过0.65时，会形成Q-Al₅Cu₂Mg₈Si₆和θ-Al₂Cu相。
• (2)
  孔隙和金属间颗粒会引起应变

CRediT作者贡献声明

杨宇彤：撰写——原始草稿、方法论、概念化。郑江：撰写——审稿与编辑。黄世瑶：撰写——审稿与编辑。杨莉：指导。长海美：指导。韩伟健：指导。程晓农：指导。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国科学基金（项目编号51575068、51501023）和重庆海外归来人员（项目编号cx2023090）的财政支持。此外，我们衷心感谢JITRI ADVANCED MATERIALS R&D CO LTD在微观结构表征方面提供的专家协助，包括SEM和EBSD分析。