通过梯度部分重熔处理优化铸造耐热Al-Si-Cu-Ni合金的相形态和蠕变性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Optimizing the phase morphology and creep properties of cast heat-resistant Al-Si-Cu-Ni alloy via a gradient partial remelting treatment

铸态耐热Al-Si-Cu-Ni合金通过梯度部分重熔技术优化初生Si、α-Al和共晶Si的微观结构，显著提升蠕变性能。该技术利用界面曲率和溶质梯度驱动局部重熔，使粗大带锐角的初生Si球化，α-Al晶粒细化约20倍，共晶Si直接球化，有效释放Al/Si界面应力集中，改善合金力学性能。

　　铸热耐高温Al-Si-Cu-Ni合金是航空航天等领域的关键工程材料，广泛应用于高温轻质部件。为了满足服务性能的要求，如合金铸件的蠕变性能，通常需要通过多种方法优化和控制固相的形态，包括初生Si、α-Al和共晶Si等。本文提出了一种基于固液界面稳定性分析的梯度部分熔化方法，该方法结合系统实验、模型计算和晶体塑性有限元分析，通过熔化高界面曲率和高溶质梯度区域，对固相进行钝化、细化和球化处理。在界面曲率、溶质梯度和熔化的作用下，初生Si的尖锐边缘和角落被熔化，从而显著降低对基体的碎片化效应。α-Al的形态从发达的树枝状转变为细小的等轴晶，其晶粒尺寸减少了约20倍。共晶Si则在凝固过程中直接球化。与未经处理的合金相比，熔化处理后的合金蠕变寿命提高了两倍。熔化处理可以通过细化α-Al晶粒释放Al/Si界面的应力集中，通过球化共晶Si降低界面应变梯度，从而改善合金的力学性能。

铝硅铜镍合金因其密度低、比强度高、热导率高、热膨胀系数低以及良好的尺寸稳定性，广泛应用于高温工作部件，如汽车活塞和航空接收器等领域。这类合金的微观结构通常由初生Si、α-Al、共晶Si及其他金属间化合物组成。由于固相的界面附着动力学复杂，以及不同固相的析出反应差异，再加上固液界面前沿液相中温度和成分场的剧烈变化，这些合金往往由形态各异的相组成。例如，初生Si相由于界面的生长过程，通常呈现粗大的颗粒形态，带有尖锐的边缘。而由脱离共晶生长形成的共晶Si相，通常由层状或短条状组成。α-Al相由于固液界面前沿多元素溶质的富集，导致溶质过冷，从而形成发达的树枝状结构，其二次枝晶较为粗大。因此，在凝固过程中，通常需要采用多种方法优化各固相的形态，以满足合金的性能需求，如强度和蠕变性能。初生Si相的尺寸和分布通常通过添加磷盐进行调控。初生α-Al相则通过添加晶粒细化剂，如TiC和TiB?颗粒，或采用外部场，如超声处理或电磁搅拌，进行细化。共晶Si相则通过添加Sr和Na盐以及后续的热处理进行粒化。

实际上，除了这些通过相变调控固相形态的方法外，添加成核剂或应用外部场，系统温度的变化也可能影响固相的形态。例如，在过冷固溶体合金的快速凝固过程中，初生枝晶可能因结晶潜热而不稳定，发生断裂，并从枝晶转变为等轴晶。同样，在过冷共晶合金的快速凝固过程中，初始的规则层状共晶结构可能因结晶潜热而不稳定，发生从规则层状共晶结构向颗粒状异常共晶结构的转变。通过控制合金凝固过程中的系统温度，具有调节固相形态的巨大潜力。然而，使用固相结晶潜热来控制其形态显然不适合大体积多元素铝合金。在实际熔化过程中，合金熔体常常被加热至高于固相的液相线温度，并通过控制过热温度和时间，以达到净化熔体、熔化固相以及调整固液界面前沿液相中溶质原子的扩散和分布的目的。例如，过热熔化方法被用于减少过共析Al-Si合金中初生Si相的遗传性；激光表面熔化方法被用于细化微观结构并提高铸件的表面强度；过热熔化方法也被用于通过减少铸件中缺陷的数量及其面积和体积分数，提高铝合金熔体和铸件的质量。

本文采用的梯度部分熔化方法不同于传统的过热熔化方法，它是在固相析出并保温后，将系统温度重新加热至低于固相的液相线温度。在此过程中，利用界面曲率、成分梯度等效应，对固相的高曲率和高成分梯度区域进行部分熔化，以实现固相的碎片化、球化和细化。首先，通过相图计算确定模型Al-Si-Cu-Ni合金在给定温度下的各固相结晶温度范围、固相体积分数以及残余熔体的含量（见第3.1节）。其次，对于在合金中首先固化的初生Si相，在其固相后，将合金熔体重新加热至一定温度并保温，通过曲率过冷使初生Si颗粒的尖锐边缘和角落被熔化，从而实现初生Si的圆化和钝化（见第3.2.2节）。第三，将熔体温度降低，以允许α-Al和共晶Si相的固化，之后再将系统温度重新加热至低于α-Al和共晶Si相的液相线温度并保持。在保温过程中，α-Al和共晶Si相在界面张力和成分梯度的作用下，部分熔化并球化（见第3.2.3节和第3.2.4节）。随后，将熔化后的熔体直接铸造。此时，残余熔体中的熔化α-Al颗粒可作为后续α-Al相在熔体中固化的核心，从而细化后续固化的α-Al相。最后，探讨了熔化处理对Al-Si-Cu-Ni合金蠕变性能的影响（见第3.3节）。

本文的实验材料包括商用纯铝（99.95 wt.%）、Al-20Si（wt.%）、Al-50Cu（wt.%）和Al-10Ni（wt.%）主合金。用于本研究的基础Al-Si-Cu-Ni合金的化学成分如表1所示。在合金熔化过程中，首先将纯铝在低于720°C的条件下熔化，使用配备有可编程逻辑控制器（PLC）系统和红外测温系统的精确温度控制中频感应炉进行操作。随后，通过添加Al-20Si、Al-50Cu和Al-10Ni主合金，按比例混合并均匀搅拌，以确保成分均匀性。熔化后的合金在高温下进行保温处理，以促进成分的均匀分布和去除气体杂质。在熔化和保温完成后，将合金倒入模具中进行铸造，以形成初步的铸件。铸件随后进行热处理，包括退火和时效处理，以优化其微观结构和力学性能。

在研究过程中，通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）分析，对铸造后的Al-Si-Cu-Ni合金的微观结构和凝固路径进行了研究。结合补充材料中图S1的能谱分析（EDS）结果和XRD分析，当前的Al-Si-Cu-Ni合金包含α-Al、体心初生Si、共晶Si以及Al?Ni?和Al?CuNi等金属间化合物。α-Al相是这类合金的基体，通常表现出发达的树枝状结构（如补充材料中图S2的偏光显微结构所示）。在铸造过程中，初生Si和共晶Si的形态受到凝固条件的影响，如冷却速率、成分分布和界面动力学等因素。通过调整这些条件，可以实现对固相形态的有效调控，从而改善合金的整体性能。

此外，本文还通过实验研究了梯度部分熔化方法对初生Si、α-Al和共晶Si相形态的影响。实验结果显示，当熔化温度提高至840°C时，初生Si颗粒的尖锐边缘和角落被熔化，其形状因子从0.6增加至0.9，对应的颗粒尺寸显著减小。通过控制熔化温度和时间，可以实现对α-Al相的细化，使其晶粒尺寸减少约20倍。同时，共晶Si相在熔化过程中直接球化，从而改善其力学性能和抗裂性。这些实验结果表明，梯度部分熔化方法在调控合金微观结构方面具有显著优势，并能够有效提高合金的性能指标。

为了进一步验证梯度部分熔化方法的有效性，本文还进行了系列实验，包括不同熔化温度下的合金铸造、热处理以及力学性能测试。实验结果表明，随着熔化温度的升高，初生Si颗粒的形态逐渐趋于圆滑，其碎片化效应显著降低，从而改善了合金的整体性能。同时，α-Al相的细化程度随着熔化温度的升高而增加，其晶粒尺寸明显减小，提高了合金的强度和韧性。共晶Si相的球化程度也随着熔化温度的升高而增加，从而降低了其界面应变梯度，提高了合金的抗裂性。这些实验结果表明，梯度部分熔化方法能够有效调控合金的微观结构，并显著提高其性能指标。

通过对比不同处理方式下的合金性能，本文发现梯度部分熔化方法在改善合金性能方面具有明显优势。与传统的过热熔化方法相比，梯度部分熔化方法能够更精确地控制熔化温度和时间，从而实现对固相形态的有效调控。此外，该方法能够减少合金中缺陷的数量及其面积和体积分数，提高合金的纯净度和质量。通过实验数据的分析，本文还探讨了梯度部分熔化方法对合金蠕变性能的影响。实验结果表明，经过梯度部分熔化处理的合金，其蠕变寿命显著提高，表明该方法在提高合金的高温性能方面具有重要意义。

本文的研究不仅为铝硅铜镍合金的优化提供了新的思路，也为其他高温合金的开发和应用提供了借鉴。通过结合系统实验、模型计算和晶体塑性有限元分析，本文提出了一种基于界面稳定性分析的梯度部分熔化方法，该方法能够有效调控合金的微观结构，并显著提高其性能指标。未来的研究可以进一步探索该方法在不同合金体系中的应用，以及其对合金其他性能的影响，如热疲劳性能和耐腐蚀性能等。此外，还可以研究该方法在不同工艺参数下的适用性，以优化其处理效果。通过不断改进和创新，梯度部分熔化方法有望成为提高高温合金性能的重要手段。