Sc元素诱导Al-Si-Mg合金中共晶Si相孪晶分支与纳米团簇协同改性机制研究

为解决Al-Si合金中粗大板状共晶Si相导致力学性能下降的问题，研究人员通过添加Sc元素系统研究了其对Al-7.0Si-0.3Mg合金中共晶Si相的改性机制。结合SEM、TEM和HAADF-STEM技术，发现Sc通过形成35.25°和54.75°孪晶分支及Al-Si-Sc纳米团簇，实现Si相从板状到纤维状的形态转变，首次证实杂质诱导孪晶（IIT）与孪晶面凹角毒化（TPRE）机制协同作用，为稀土改性提供了新理论依据。

　　

在航空航天和汽车工业中，Al-Si合金因其优异的铸造性能和比强度备受青睐，但高硅含量（>6 wt.%）合金中粗大的板状共晶Si相容易引发应力集中，导致材料脆性断裂。传统改性剂如Na和Sr虽有效，却伴随毒性气体释放和熔体吸氢等问题。稀土元素因其环保性和长效性成为研究热点，但Sc的改性机制尚不明确。内蒙古自治区自然科学基金支持的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表论文，通过多尺度表征技术揭示了Sc改性共晶Si的独特机制。

研究采用真空感应熔炼制备Al-7.0Si-0.3Mg-XSc合金，结合扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和高角度环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）分析微观结构。结果显示，0.3 wt.% Sc添加使共晶Si尺寸减小70%，长径比降低81%，形态转变为高度分支的纤维结构。关键发现包括：Sc诱导Si相形成35.25°和54.75°孪晶分支；Al-Si-Sc纳米团簇优先偏聚于70.5°孪晶交叉处和生长前沿，首次同时验证IIT和TPRE机制；团簇仅诱导原子层级微孪晶而非整体孪晶，区别于传统理论。

Effect of Sc on the morphology of eutectic Si
SEM显示未改性合金中Si相呈20-50 μm针状结构，而Sc改性后转变为<5 μm的纤维状，表面台阶和尖角显著减少。TEM进一步观察到孪晶密度增加和纳米团簇线性排列沿<112>_Si方向。

Conclusion
研究表明Sc通过纳米团簇偏聚诱导微孪晶形成，而非直接吸附原子，提出"团簇介导孪晶"新机制。该发现不仅拓展了稀土改性理论，还为开发高性能Al-Si合金提供了新思路——通过调控纳米团簇分布可实现Si相形貌的精准设计。研究团队特别指出，Sc的"一剂双效"（改性与除氢）特性使其在工业应用中具有显著优势，未来可探索Sc与其他稀土的协同作用以进一步提升合金性能。