硅元素调控Al-Ce合金中Al11Ce3共晶相形貌演变的机制研究及其对力学性能的优化

为解决Al-Ce合金中脆性Al11Ce3相粗大“汉字状”形貌导致的力学性能不足问题，研究人员通过微量Si添加（0-0.8 wt.%）系统研究了共晶相形貌演变规律。发现Si通过界面晶格畸变和相分数调控促使Al11Ce3从层片-棒状混合结构向细棒状转变，最终形成不规则柱状结构，显著提升合金延伸率，为铸造Al-Ce合金的形貌优化提供了新思路。

　　

在汽车制造和航空航天领域，耐高温铝合金的研发一直是材料科学的焦点。传统Al-Si合金虽广泛应用，但其服役温度上限仅为250℃，而新兴的Al-Ce合金展现出惊人的热稳定性，可在400℃高温下长期保持强度。然而，这类合金的致命弱点在于其核心强化相——Al₁₁Ce₃的“汉字状”脆性形貌，这种粗大的共晶结构如同隐藏在材料中的微裂纹网络，严重制约了合金的力学性能。这就像拥有强大引擎却配备脆弱齿轮的系统，如何优化Al₁₁Ce₃相的形貌成为突破性能瓶颈的关键。

受到Al-Si合金中硅相变质处理的启发，中南大学国家实验室的研究团队独辟蹊径，选择硅元素作为“形貌整形师”。他们在Al-10Ce合金中添加微量Si（0.2-0.8 wt.%），通过重力铸造制备样品，结合相图计算、显微结构表征和拉伸测试，系统揭示了Si对Al₁₁Ce₃相形貌的调控机制。这项发表于《Journal of Alloys and Compounds》的研究，首次阐明了Si诱导共晶形貌演变的微观机制，为Al-Ce合金的工业化应用提供了理论支撑。

研究采用Pandat软件计算Al-Ce-Si三元相图，通过光学显微镜、扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）分析微观结构，结合电子背散射衍射（EBSD）解析晶体取向，并开展室温拉伸试验验证力学性能。实验设计覆盖0-0.8 wt.% Si的梯度添加，重点观察共晶区形貌演变过程。

相图与相组成
相图计算显示，Si添加显著改变凝固路径：当Si≤0.5 wt.%时，体系先析出初生Al₁₁Ce₃相后发生L→Al₁₁Ce₃+α(Al)共晶反应；而Si≥0.8 wt.%时，初生AlCeSi相优先形成。X射线衍射证实随着Si含量增加，Al₁₁Ce₃相衍射峰强度逐渐减弱，这与相图预测的相分数降低趋势一致。

共晶形貌的层片-棒状转变
在未添加Si的合金中，Al₁₁Ce₃呈现典型的层片-棒状混合结构。添加0.2 wt.% Si后，共晶区转变为均匀细小的棒状结构，直径从1-3 μm细化至0.5-1 μm。高分辨TEM发现Si原子在Al₁₁Ce₃/α-Al界面偏聚，导致界面晶格畸变能增加，这种“界面毒化”效应阻碍层片状生长而促进各向同性棒状形核。同时，Si降低Al₁₁Ce₃相分数至28.5%（0Si合金为32.1%），根据Jackson-Hunt理论，第二相分数降低会自然诱发层片向棒状转变。

高硅含量下的形貌粗化
当Si含量升至0.8 wt.%时，共晶区出现不规则粗大柱状结构。研究发现这源于双重阻碍效应：初生AlCeSi相消耗大量Ce原子，而Si原子团簇垂直于Al₁₁Ce₃择优生长方向<001>排列，如同在高速公路上设置路障，迫使晶体生长“绕道而行”。这种非稳态生长模式最终导致形貌恶化。

力学性能验证
拉伸测试表明，0.5 wt.% Si添加合金展现最佳延伸率（8.2%），较0Si合金提升35%。棒状Al₁₁Ce₃相能有效分散应力集中，而粗大不规则结构则导致早期裂纹萌生。这印证了“形貌优化比单纯细化更能提升塑性”的创新观点。

该研究不仅建立了Si含量-Al₁₁Ce₃形貌-力学性能的定量关系，更揭示了微量添加元素调控共晶生长的普适性机制。通过传统铸造工艺实现facet（小平面）相形貌控制，为开发高性能Al-Ce合金提供了成本可控的解决方案。未来研究可进一步探索Si与其他变质元素的协同效应，推动这类合金在发动机缸体等高温部件中的应用。