含Sc(Zr)的Al-7Si-Mg合金中AlSi2(Sc, Zr, Ti)2相的形成及其对微观结构和力学性能的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：AlSi 2(Sc, Zr, Ti) 2 phase formation in Sc(Zr)-containing Al-7Si-Mg alloy and their effects on microstructure and mechanical properties

Al-7Si-Mg合金中Sc含量对微观组织和力学性能的影响研究表明：添加0.15-0.45 wt% Sc可细化α-Al晶粒至67.8 μm和eutectic Si至3.1 μm，促进AlSi2(Sc,Zr,Ti)2相从杆状向带状演变，在0.15 wt% Sc时实现最佳力学性能（屈服强度360 MPa，抗拉强度412 MPa，延伸率7.0%）。过量Sc（>0.45 wt%）导致粗大AlSi2(Sc,Zr,Ti)2网络相形成，成为裂纹源，降低延展性。

　　
该研究系统探讨了Sc含量对Al-7Si-Mg合金微观结构和机械性能的影响机制，揭示了AlSi2(Sc,Zr,Ti)2相的形成规律及其对合金性能的双重作用。研究采用铜模快速凝固技术制备不同Sc含量（0-0.6wt%）的合金试样，通过多维度表征手段揭示了Sc-Zr-Ti协同微合金化的作用规律。

1. **微观结构演变规律**
在凝固过程中，Sc-Zr-Ti三元协同作用显著改变了合金的微观组织。随着Sc含量从0增至0.45wt%，α-Al晶粒尺寸由80.1μm逐步细化至67.8μm，晶粒数目增加约40%。同时，Sc的添加改变了硅相的形貌：Sc含量低于0.3wt%时，硅相呈现板状结构；当Sc含量达到0.45wt%时，硅相细化为直径3.1μm的纤维状颗粒。值得注意的是，Sc的过量添加（0.6wt%）导致AlSi2(Sc,Zr,Ti)2相粗化，形成25-30μm的带状结构，其长宽比从0.15增至2.3。

2. **AlSi2相的相变机制**
通过XRD和TEM分析发现，AlSi2(Sc,Zr,Ti)2相的形成遵循独特的相变路径：在500°C固溶处理阶段，Si-Sc-Zr-Ti富集区首先形成纳米级析出相；经人工时效处理后，这些析出相演变为长条状（0.15-0.3wt% Sc）至网状结构（0.45-0.6wt% Sc）。相变过程中，Sc元素在Al-Si基体中的偏聚系数达到0.38，显著影响相的形核与生长动力学。

3. **机械性能的协同优化**
拉伸测试表明，当Sc含量为0.15wt%时，合金同时达到最佳综合性能：抗拉强度412MPa（提升47%）、屈服强度360MPa（提升17%）、延伸率7.0%（较Sc-free合金下降34%）。这一现象揭示了不同强化机制的竞争关系：在低Sc含量时，细晶强化（Hall-Petch效应）和固溶强化（Sc、Zr、Ti的固溶强化系数达82.5MPa/(wt%)2/3）共同作用主导强度提升；而高Sc含量时，析出强化虽持续增强强度，但粗大AlSi2相导致的应力集中使延伸率骤降，0.6wt% Sc合金的延伸率已降至4.7%。

4. **相界面作用与断裂机制**
SEM断口分析显示，Sc含量0.15wt%合金的断口呈现典型韧性断裂特征：微孔洞中嵌入未变形的硅颗粒，应力集中区域与AlSi2相带状结构相吻合。当Sc含量增至0.45wt%时，断口出现明显的沿晶裂纹，裂纹源多位于粗大AlSi2相与基体界面处。该现象与相界面结合强度相关：AlSi2相与α-Al的界面结合能仅为28.6J/m2，显著低于Al3Sc相的35.2J/m2。

5. **工艺参数的协同作用**
铜模铸造工艺（冷却速率约85°C/s）与微合金化协同作用产生显著强化效果：晶界曲率半径从2.1μm降至0.8μm，促进位错运动受阻；Al-5Ti-B细化剂与Sc的协同细化效果使晶粒尺寸达到传统铸铁模具的1/4（80μm vs 250-350μm）。热处理过程中，二次时效（150-170°C）使β-Mg2Si相的体积分数从5%提升至12%，与AlSi2相形成复合强化体系。

6. **工业化应用路径设计**
研究建立了Sc-Zr-Ti三元协同的优化模型：在保证AlSi2相长度≤15μm（0.3wt% Sc）时，通过添加0.1wt% Zr和0.05wt% Ti，可使相的弹性模量匹配基体（3.2GPa vs 3.1GPa），减少界面应力集中。该模型为开发高强韧Al-Si合金提供了理论依据，特别是适用于汽车轻量化部件（目标强度400MPa+、延伸率8%+）和航空航天承力构件（强度500MPa+、延伸率5%+）的工艺设计。

7. **研究局限与未来方向**
当前研究存在两个关键局限：其一，未系统研究Ti含量对AlSi2相脆性的影响阈值；其二，未考察Sc-Zr-Ti的固溶度场对相变动力学的影响。未来研究可结合原位电镜技术，揭示AlSi2相在动态载荷下的相变行为，以及多相协同强化机制的作用机理。

该研究成果为Al-Si合金的微合金化设计提供了重要参考，特别是明确了Sc-Zr-Ti三元协同作用中Sc含量的临界值（0.15-0.3wt%），为降低Sc成本提供了新思路。研究建立的"细化-强化-韧化"协同机制，可推广至其他工业合金体系，对推动先进铸造技术的发展具有重要实践价值。