通过加热模具连铸快速冷却提升铸造过共晶Al–Si合金的力学性能

《Journal of Materials Research and Technology》：Enhancement of mechanical properties in a cast hypereutectic Al–Si alloy via rapid cooling in heated mold continuous casting

　　

为提升铸造过共晶Al–Si合金的力学性能，研究人员通过加热模具连铸（heated mold continuous casting, HMC）制备了Al–14.5Si样品。HMC过程在单向凝固条件下进行，冷却速率（cooling rate, CR）范围为4.6 × 10-1至1.3 × 103 K/s，该冷却速率通过控制铸造速度（casting speed, CS）获得。微观组织基本由α-Al枝晶、Al–Si共晶和初生Si组成，其面积分数（fα-Al、fe和fp-Si）随CR变化而变化。在低CR为4.6 × 10-1 K/s时，各相面积分数分别为fα-Al = 0.2%、fe = 97.3%和fp-Si = 2.5%，这是过共晶Al–Si合金的典型微观组织形貌。相比之下，在高CR为1.3 × 103 K/s时，面积分数改变为fα-Al = 32.3%和fe = 67.7%，而初生Si被强烈抑制（fp-Si ≈ 0%），尽管该合金为过共晶Al–14.5Si合金。此外，在高CR条件下，铝基体表现出沿<101>方向近乎均匀的晶体取向。这些微观组织变化不仅与高CR有关，还可能归因于初生Si与α-Al枝晶之间生长动力学的差异。相应地，表观共晶成分从12.6wt%Si偏移至19.7wt%Si。这种非典型微观组织的形成带来了拉伸性能的显著提升：极限抗拉强度达到400 MPa，断裂应变为17%。这些拉伸性能是传统铸造过共晶Al–14.5Si合金的两倍以上。

论文解读：加热模具连铸快速冷却对过共晶Al–Si合金微观组织演变与力学性能的调控

一、研究背景与意义

随着全球变暖问题日益受到关注，铝、镁等轻质工程材料作为提高燃油效率、减少废气排放的关键解决方案，其需求持续增长。铸造Al–Si合金因其优异的生产效率和成本效益，在汽车工业中被广泛应用于缸体、活塞和换挡臂等零部件。铸造Al–Si合金可分为亚共晶（<12.6 wt% Si）和过共晶（>12.6 wt% Si）两类体系。过共晶Al–Si合金因初生Si颗粒的析出而具有低热膨胀系数和高耐磨性，但其应用仍受到低延展性和低强度的限制，同时铸造缺陷的存在也进一步制约了其使用范围。以具有代表性的过共晶Al–Si合金JIS-ADC14（相当于390合金）为例，其极限抗拉强度（σ_UTS）仅为约190 MPa，断裂应变（ε_f）仅为0.5%，显著低于JIS-ADC12（相当于A383合金）等常规铝合金。

过共晶Al–Si合金力学性能不佳的主要原因在于大尺寸初生Si和针状共晶Si的析出。共晶Si的硬度约为α-Al基体的三倍，容易造成高应力集中。现有技术手段如添加Na、Ti、Sr等化学元素或采用半固态铸造虽可细化Si颗粒，但拉伸性能仍难以满足替代钢和铸铁的需求。传统商业铸造工艺的冷却速率通常仅为10^-1–10² K/s，而熔体纺丝和气体雾化等特殊凝固工艺虽可达到10³–10⁶ K/s的极高冷却速率并显著细化组织、抑制初生Si析出，但这些工艺仅适用于有限的凝固体积。因此，如何在连续铸造过程中实现与熔体纺丝和气体雾化相当的冷却速率，成为制备高性能过共晶Al–Si合金的关键研究方向。加热模具连铸（HMC）工艺通过直接水滴或水雾实现快速冷却，为这一目标提供了可行途径。然而，此前关于超高冷却速率HMC对过共晶Al–Si合金微观组织演变和力学性能影响的系统研究尚属空白。本研究旨在通过高铸造速度的HMC工艺制备过共晶Al–Si合金，并系统研究其微观组织演变与力学性能。

二、主要技术方法

研究人员采用自主设计的HMC单向连续铸造系统制备Al–14.5wt%Si合金棒材（φ5 × 200 mm）。合金在910 K下于石墨坩埚中熔化，使用商用熔剂去除杂质，通过伺服电机以0.1、0.8、1.9、3.5和10 mm/s五种铸造速度拉拔铸造棒材，熔体在离开套筒后由水滴连续冷却实现凝固。冷却速率通过K型热电偶（丝径0.125 mm）以1 kHz采样频率记录900 K至700 K之间的温度斜率计算获得。力学性能测试包括显微维氏硬度测试（载荷9.8 N，保载15 s）和室温拉伸测试（试样尺寸φ2.5 mm × 4 mm，加载速度1 mm/min，每组3个试样）。微观组织表征采用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM，STEM模式）、能谱分析（EDS）和电子背散射衍射（EBSD）分析，并使用0.1%盐酸溶液溶解Al基体以提取Si颗粒进行形貌观察。定量分析采用Adobe Photoshop 2025图像分析软件测定面积分数、二次枝晶臂间距（SDAS）、共晶Si平均面积（A_e-Si）、共晶Si纵横比（AR）和初生Si平均面积（A_p-Si），每个参数均基于50次以上测量取平均值。

三、研究结果

3.1 微观组织特征

通过OM和SEM观察发现，不同铸造速度下获得的微观组织形态存在显著差异。低铸造速度样品（≤0.8 mm/s）基本由Al–Si共晶相和初生Si组成，呈现典型过共晶组织形态，且初生Si和共晶Si随铸造速度增加而细化。值得注意的是，高铸造速度样品（≥1.9 mm/s）中出现了α-Al枝晶，尽管该合金为过共晶成分。在最高铸造速度10 mm/s的样品中，除α-Al枝晶形成外，Si颗粒未清晰检测到。所有样品中几乎未观察到气孔等铸造缺陷。

EBSD分析显示，低铸造速度（≤1.9 mm/s）样品呈现随机晶体取向，而高铸造速度（≥3.5 mm/s）样品中α-Al基体的<101>取向面积分数趋于增加，在10 mm/s时达到75.1%，呈现近乎均匀的取向排列，与先前亚共晶Al–Si合金HMC样品的结果相似。

面积分数定量分析表明，随着铸造速度增加，f_α-Al持续增加，而f_e和f_p-Si降低。最低铸造速度0.1 mm/s时，f_α-Al = 0.2%、f_e = 97.3%、f_p-Si = 2.5%；最高铸造速度10 mm/s时，f_α-Al = 32.3%、f_e = 67.7%，初生Si几乎不可检测（f_p-Si ≈ 0%）。

经HCl溶液溶解基体后的SEM观察确认，3.5 mm/s样品中清晰检测到初生Si，10 mm/s样品中虽也检测到初生Si，但其尺寸和数量远小于3.5 mm/s样品，体积分数约为后者的10%。冷却速率与铸造速度呈线性正相关（R2 = 0.98），10 mm/s时获得1.3 × 10³ K/s的高冷却速率，比0.1 mm/s样品高出2500倍以上。

微观组织细化程度随冷却速率增加而增强，特别是在1.4 × 10² K/s时出现明显细化。基于Al–Si相图分析，研究人员利用面积分数关系计算了表观共晶成分（C_e）和表观共晶温度（T_e）。结果显示，高冷却速率1.3 × 10³ K/s时，C_e从12.6wt%Si偏移至19.7wt%Si。STEM观察和EDS分析验证了这一结果：10 mm/s样品共晶区域内Si含量为19.9 wt%，与计算值19.7 wt%高度吻合。

这种非典型微观组织形成可从热力学和动力学两方面解释。低冷却速率时，初生Si因热力学优势优先形核；高冷却速率时，虽然初生Si和α-Al均可达到有利形核条件，但后续生长取决于各自的生长动力学。由于小平面生长受界面动力学约束强于枝晶生长，初生Si的生长在动力学上处于劣势，而α-Al枝晶占优生长，从生长中的α-Al枝晶排出的Si增加了剩余液体的Si含量，导致C_e向高Si含量方向偏移。

3.2 力学性能

显微维氏硬度测试显示，硬度随冷却速率增加而增大。10 mm/s样品获得约1.13 GPa的高硬度值，约为0.1 mm/s样品的两倍，硬度与冷却速率呈正相关。

拉伸测试结果表明，所有拉伸性能均随冷却速率增加而显著提高。高冷却速率1.3 × 10³ K/s时，σ_UTS、0.2%屈服强度（σ_0.2）和ε_f分别约为400 MPa、205 MPa和17%，是低冷却速率4.6 × 10^-1 K/s样品的两倍以上，远高于传统过共晶Al–Si合金ADC14（σ_UTS ≈ 190 MPa，ε_f ≈ 0.5%）。断裂面SEM观察显示，所有样品基本呈现韧窝型延性断裂模式，韧窝尺寸随冷却速率降低而增大。冷却速率低于2.7 × 10² K/s的样品中局部观察到解理状脆性断裂，与初生Si的断裂相关。EDS元素面分析确认，低冷却速率样品断裂面上清晰检测到Si信号，而高冷却速率样品中未观察到明显Si信号，表明初生Si的抑制减少了应力集中和裂纹萌生，从而形成无解理断裂的细小韧窝并改善力学性能。

四、讨论与结论

研究讨论部分指出，优异的拉伸性能与快速冷却引起的微观组织改变密切相关：细化的α-Al枝晶（SDAS）和共晶Si基于Hall-Petch关系有助于提升拉伸强度；更圆整的共晶Si和初生Si的强烈抑制减少了应力集中和裂纹萌生，从而改善断裂应变；此外，<101>择优取向可能通过滑移面排列促进延展性提升。

研究结论可归纳为以下五点：第一，微观组织由α-Al枝晶、Al–Si共晶相和初生Si组成，其面积分数随冷却速率变化。低冷却速率样品以Al–Si共晶相和初生Si为主，呈现典型过共晶组织；高冷却速率1.3 × 10³ K/s样品则呈现α-Al枝晶和Al–Si共晶相且几乎无初生Si，外观类似亚共晶组织。第二，晶体取向随冷却速率增加从随机分布转变为以<101>为主的排列模式。第三，非典型微观组织形态归因于快速冷却，基于Al–Si相图分析，表观共晶成分C_e向高Si含量方向偏移。第四，得益于非典型微观组织形成，HMC样品的拉伸性能随冷却速率增加而显著提升，高冷却速率1.3 × 10³ K/s时σ_UTS、σ_0.2和ε_f分别达到约400 MPa、205 MPa和17%，断口分析显示该样品呈现无脆性断裂的细小韧窝。第五，防止初生Si引起脆性断裂的临界冷却速率被提出介于2.7 × 10²至1.3 × 10³ K/s之间。该研究发表于《Journal of Materials Research and Technology》，为通过超高冷却速率连续铸造制备高性能过共晶Al–Si合金提供了重要的理论依据和工艺参考。