Al-Si-Mg-Hf合金中类矩形分散相的取向关系及生长机制

《Journal of Materials Research and Technology》：The orientation relationships and growth mechanism of rectangle-like dispersoids in an Al-Si-Mg-Hf alloy

Al-Si-Mg-Hf合金经560℃/20h溶处理形成矩形分散相，通过TEM和SAED分析揭示其与基体的四种取向关系（OR1-OR4），发现偏离最佳匹配平面的角度（3.21°和6.77°）导致高界面能，抑制一维生长形成矩形 morphology。

　　在现代汽车工业中，铝合金因其优异的铸造性能、高强度重量比以及良好的抗腐蚀能力，被广泛应用于发动机缸盖等关键部件。尤其是在高温工作环境下，这些合金需要具备出色的热稳定性以确保其在长时间运行中保持结构完整性与机械性能。因此，研究铝合金在高温处理过程中形成的微观结构特征，尤其是第二相析出物的形态与取向关系，对于提升其高温性能具有重要意义。

本研究聚焦于一种含Hf的Al-Si-Mg合金，探讨其在560°C下保温20小时的固溶处理过程中形成的矩形状析出物（rectangle-like dispersoids）与基体之间的取向关系（orientation relationships, ORs）。通过透射电子显微镜（TEM）和选区电子衍射（SAED）技术，对析出物的形态和晶体取向进行了详细分析。研究发现，该合金中存在四种不同的取向关系，其中每一种都与析出物的生长机制密切相关。这些析出物的形成不仅影响合金的微观结构，还对合金的高温机械性能产生深远影响。

首先，我们确定了析出物与基体之间的四种主要取向关系。第一种取向关系（OR1）中，基体的[112]方向与析出物的[010]方向平行，而基体的(11-1)面与析出物的(200)面之间存在约3.21°的偏差。这种偏差导致析出物与基体之间的界面能增加，从而限制了析出物沿单一方向的生长。第二种取向关系（OR2）显示，基体的[012]方向与析出物的[010]方向平行，基体的(200)面与析出物的(002)面平行。在这种情况下，析出物的生长受到界面能的调控，表现出特定的形态特征。第三种取向关系（OR3）中，基体的[-113]方向与析出物的[010]方向平行，基体的(2-42)面与析出物的(20-2)面之间存在约6.77°的偏差。第四种取向关系（OR4）则显示，基体的[-113]方向与析出物的[3-1-3]方向平行，基体的(220)面与析出物的(130)面平行。

这些取向关系的建立基于近晶格匹配（near-coincident site lattice, NCS）理论，结合了PTCLab软件进行的模拟分析。NCS理论认为，当析出物与基体之间的晶格匹配度越高，其形成的界面能越低，从而有利于析出物的生长。然而，在实际的析出物形成过程中，由于取向关系的偏差，析出物与基体之间的匹配度受到影响，进而导致界面能的升高。这种界面能的升高对析出物的生长方向和形态产生了抑制作用，使得析出物无法像纳米带状析出物那样沿单一方向生长，而是呈现出矩形状的结构。

进一步分析发现，纳米带状析出物的形成主要依赖于与基体之间高度匹配的(010)面作为习惯平面（habit plane）。这一平面具有较低的界面能，使得析出物能够沿着该平面优先生长，形成带状结构。然而，矩形状析出物的形成则与不同的取向关系相关，这些取向关系中的匹配面与习惯平面之间存在一定的角度偏差，从而导致析出物在生长过程中受到阻碍，最终呈现出矩形的形态。此外，研究还表明，析出物在形成初期可能受到晶格缺陷的影响，例如空位、位错等，这些缺陷的存在可能导致析出物与基体之间的晶格失配，进一步影响其生长方向和形态。

在实验过程中，我们采用了FEI TECNAL G2 F20透射电子显微镜进行微观结构观察，并结合机械研磨与双电解抛光技术制备TEM样品。通过分析TEM图像和SAED图谱，我们不仅能够确定析出物的形态特征，还能揭示其与基体之间的取向关系。研究结果表明，不同取向关系下的析出物表现出不同的生长行为，这与它们与基体之间的界面能密切相关。当析出物与基体之间的匹配度较高时，其界面能较低，析出物可以沿特定方向生长，形成纳米带状结构；而当匹配度较低时，析出物则无法沿单一方向持续生长，导致其形态发生变化，形成矩形状结构。

此外，我们还发现，析出物的形成过程受到温度和时间的显著影响。在560°C下保温20小时的固溶处理条件下，析出物的形态和取向关系达到了最佳状态。这种处理条件不仅促进了析出物的形成，还使其能够稳定存在于基体中，从而提升合金的高温性能。然而，析出物的形成并非完全依赖于热处理条件，其与基体之间的取向关系在很大程度上决定了其生长方向和最终形态。因此，深入研究这些取向关系对于优化合金的热处理工艺、提高其高温性能具有重要意义。

在对析出物生长机制的探讨中，我们发现，析出物的生长受到多种因素的影响，包括晶格匹配度、界面能、晶格缺陷以及热处理条件等。其中，晶格匹配度和界面能是决定析出物形态的关键因素。当析出物与基体之间的晶格匹配度较高时，其界面能较低，析出物可以沿特定方向生长，形成带状结构；而当匹配度较低时，析出物的生长受到限制，最终呈现出矩形状结构。晶格缺陷则在析出物的形成初期起到重要作用，它们可能成为析出物生长的起点，并影响其与基体之间的匹配度。因此，在合金的热处理过程中，控制晶格缺陷的形成与分布，对于优化析出物的形态和性能具有重要意义。

研究还表明，析出物的形成与合金的化学成分密切相关。Al-Si-Mg-Hf合金中，Hf的加入显著影响了析出物的形态和取向关系。Hf元素在高温下能够促进Si元素的析出，并与基体形成特定的晶格匹配关系，从而影响析出物的生长方向。这种影响不仅体现在析出物的形态上，还可能影响其在基体中的分布和稳定性。因此，在合金设计和热处理工艺优化过程中，合理控制Hf的含量和分布，有助于提高析出物的形成效率和稳定性。

综上所述，本研究通过透射电子显微镜和选区电子衍射技术，系统分析了Al-Si-Mg-Hf合金在560°C下保温20小时形成的矩形状析出物与基体之间的取向关系。研究结果表明，析出物的形态与取向关系密切相关，而取向关系的偏差会导致界面能的增加，从而抑制析出物沿单一方向的生长，最终形成矩形状结构。这些发现不仅有助于理解析出物的形成机制，还为优化合金的热处理工艺提供了理论依据。通过进一步研究析出物的生长行为及其与基体之间的相互作用，可以为提高铝合金在高温环境下的机械性能提供新的思路和方法。