6082 wrought Al合金中主Al晶粒与α-Al以及15(Fe,Mn)3Si金属间相的凝固关系

《Results in Materials》：Solidification Relationship Between the Primary–Al grain and α–Al 15(Fe,Mn) 3Si 2 Intermetallic Phase in the 6082 Wrought Al alloy

铝合金6082中主要-Al与α-Al15(Fe,Mn)3Si2互金属的晶体学取向关系及耦合生长机制研究，采用TEM和EBSD分析发现两者存在(111)//(202)和(200)//(112)取向匹配，揭示α-Al15互金属通过耦合生长机制在主要-Al晶界处形核并沿特定晶面扩展，为优化Fe-IMC控制工艺提供理论依据。

　　本研究聚焦于一种常见的工业铝合金——6082型铸造铝合金中的相结构相互作用，尤其是初生铝（primary-Al）与α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂金属间化合物之间的取向关系。6082合金因其高强度、良好的成形性、低密度和优良的铸造性能，在汽车工业中具有重要应用价值。然而，在实际生产过程中，铁（Fe）杂质不可避免地被引入，尽管人们努力减少Fe含量，但其仍作为常见杂质存在。这些Fe含量的金属间化合物（Fe-IMCs）在凝固过程中形成，它们的形态和分布对合金的机械性能有显著影响，例如降低延展性和韧性，并可能成为应力集中源，促进微裂纹的形成，甚至引发局部腐蚀问题。

研究发现，α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂金属间化合物主要在初生铝的晶界区域形成。通过透射电子显微镜（TEM）的观察，研究确认了初生铝与α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂之间存在特定的取向关系。具体而言，在初生铝的[110]晶带轴方向上，α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂的(202)晶面与初生铝的(111)晶面平行，而(200)晶面与α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂的(2)晶面平行。这些取向关系表明，初生铝与α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂之间并非简单的直接成核关系，而是通过一种耦合生长机制相互影响。这种机制涉及初生铝的生长过程对α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂的形成方向产生引导作用，从而导致特定的取向匹配。

初生铝的晶格结构与α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂存在显著差异，前者为面心立方（FCC）结构，后者为体心立方（BCC）结构。由于晶格结构不同，两者之间难以形成完全的晶格匹配，因此其成核关系并不明显。然而，它们的生长方向和晶面匹配关系表明，初生铝的生长过程可能对α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂的形成产生重要影响。这种影响体现在生长动力学和晶面匹配上，特别是初生铝的(110)和(113)晶面与α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂的(110)和(113)晶面之间具有一定的匹配性，从而引导α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂沿着特定方向生长。

研究还发现，初生铝的生长路径可能决定了α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂的生长方向。在固液界面附近，Fe溶质的富集形成了液态区域，这些区域成为α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂成核的有利位置。随着凝固过程的进行，初生铝的枝晶臂逐渐形成，并在枝晶之间的液态区域中，α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂的生长受到初生铝的引导。因此，初生铝与α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂之间的取向关系并非由直接成核形成，而是通过生长过程中的相互作用而产生。

为了进一步验证这一机制，研究团队采用了一系列先进的实验技术。例如，通过电子背散射衍射（EBSD）和扫描电子显微镜（SEM）分析了初生铝与α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂的相结构和形态特征。实验结果显示，α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂主要分布在初生铝的晶界区域，并呈现出复杂的形态，如花瓣状、鱼骨状和玫瑰状结构。这些形态特征可能与α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂的体心立方结构有关，其生长特性使得在不同的晶面方向上形成多样的结构。

此外，研究还发现，初生铝与α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂之间的取向关系在一定程度上受到冷却速率的影响。当冷却速率适中时，Fe-IMCs的生长受到初生铝的引导，呈现出特定的取向关系。然而，当冷却速率过高时，Fe-IMCs可能因快速凝固而过度细化，从而掩盖了取向关系；当冷却速率过低时，Fe-IMCs可能因过度粗化而失去与初生铝的关联性。因此，选择适当的冷却速率对于观察和理解初生铝与α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂之间的取向关系至关重要。

研究还利用了Thermo-Calc软件进行相图预测，以进一步探讨初生铝与α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂的形成机制。Thermo-Calc的模拟结果表明，初生铝的形成首先发生，随后在固液界面附近的液态区域中，α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂通过一种类似包晶反应的过程形成。这一过程涉及到初生铝与Al₁₃Fe₄之间的相互作用，最终转化为α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂。虽然Thermo-Calc预测了Al₁₃Fe₄的存在，但在实际的铸态结构中并未观察到该相，这可能与快速冷却过程中的相变动力学有关。

通过电子显微镜和X射线同步辐射断层扫描技术，研究团队还确认了初生铝与Fe-IMCs之间的物理相互作用。这些相互作用表现为IMCs在初生铝表面形成的凹陷、凸起和扭曲结构，表明在成核和生长过程中，初生铝对Fe-IMCs的形态具有显著影响。此外，研究还指出，某些添加物如TiB₂可能通过异质成核机制促进Fe-IMCs的形成，并影响其取向关系。然而，本研究并未引入这些添加物，因此所观察到的取向关系反映了在无添加物条件下的自然凝固行为。

综上所述，本研究揭示了初生铝与α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂之间的耦合生长机制，以及它们在凝固过程中形成的特定取向关系。这一发现不仅有助于深入理解铝合金中Fe-IMCs的形成规律，也为合金设计和加工工艺的优化提供了理论依据。通过控制冷却速率和合金成分，可以有效调控Fe-IMCs的大小、形态和分布，从而改善合金的机械性能和服役寿命。这些研究成果对于提升6082型铝合金在汽车和结构应用中的性能具有重要意义。