钛添加量及冷却速率对铁基金属间化合物扩散控制转变的影响以及Al-6Si-1Fe合金中晶粒演变的作用

《Journal of Alloys and Compounds》：Effects of Ti Addition and Cooling Rate on Diffusion-Controlled Transformation of Iron-Rich Intermetallics and Grain Evolution in Al-6Si-1Fe Alloys

Al-6Si-xTi-1Fe合金中钛含量与冷却速率协同调控Fe基化合物相变及晶粒生长机制，揭示了Ti含量>2%时Al?Ti相激活促进α-Al晶粒生长，水冷使42%以上θ-Al??Fe?保留，同时降低晶粒尺寸30-40%，强度提升18.6%但延展性下降。

　　

付春哲|林学健|徐凯南|袁晓光|岳春宇|黄洪军

沈阳工业大学材料科学与工程学院，中国沈阳 110870

摘要

铝硅合金系统中由铁杂质诱导形成的含铁金属间化合物（FIMC）及其对凝固结构的调控是提升合金性能的关键挑战。本研究通过协同调节钛含量（1-3 wt.%）和冷却速率（空气冷却/水冷却），系统地揭示了Al-6Si-xTi-1Fe合金的微观结构演变和相变机制。微观结构分析表明，该合金主要由α-Al基体以及分散的共晶Si、Al?Ti和θ-Al??Fe?/α-Al?Fe?Si/β-Al?FeSi相组成。值得注意的是，当钛含量超过2 wt.%时，Al?Ti相的激活会促进α-Al晶粒的生长。定量分析显示，低角度晶界比例从25.23%增加到39.37%，平均晶粒尺寸从113.3 μm±4.2（Al-6Si-1Ti-1Fe，wt.%）扩大到132.8±5.1 μm（Al-6Si-3Ti-1Fe，wt.%）。水冷合金的晶粒尺寸比空气冷合金小30-40%，并且通过抑制元素扩散，保留了超过42%的θ-Al??Fe?初生相。力学测试表明，增加钛含量和冷却速率可以提高拉伸强度（例如，AS-3Ti相比AS-1Ti提高了18.6%），但会降低延展性。结合透射电子显微镜（TEM）和电子背散射衍射（EBSD）分析，阐明了Al-6Si-xTi-1Fe合金中Fe-Si相变路径（θ-Al??Fe?→α-Al?Fe?Si→β-Al?FeSi）的扩散控制机制。本研究为优化铝硅钛铁合金的钛添加策略和冷却工艺奠定了理论基础，为开发具有优异性能特性的铸造铝合金提供了可操作的见解。

引言

作为铸造铝合金的主要类型（占产量的80-90%）[1]，[2]，[3]，铝硅体系是航空航天和交通运输应用中的关键轻量化解决方案[1]，[2]，[3]。然而，在铸造铝硅合金的制造过程中，杂质铁元素难以完全去除，且其在基体中的固溶度较低，容易形成含铁金属间化合物（FIMC）[4]。最常见的FIMC形态包括针状β-Al?FeSi和中国书法风格的α-Al?Fe?Si相[5]，[6]。这些大颗粒第二相的存在显著降低了铝硅合金的机械性能，尤其是塑性和韧性。为了解决这个问题，研究表明添加过渡元素（如Co、Ti和Cr）[7]，[8]，[9]以及提高凝固速率[10]，[11]可以有效改善FIMC的形态。尽管过渡元素添加和凝固速率对铝硅合金的影响已得到广泛研究，但两者对铝硅铁体系相变的协同机制仍不清楚。

研究表明，添加过渡元素Ti不仅通过Al-Ti颗粒的非均匀形核细化α-Al晶粒[12]，[13]，还与Si形成(Al,Si)?Ti替代固溶体[14]，改变了凝固过程中的溶质再分布行为。同时，Elhadari等人[15]指出，添加Ti通过形成Al?Ti相提高了铝合金的室温强度和疲劳寿命。此外，凝固路径对铝硅铁体系中含铁金属间化合物（FIMC）的选择具有决定性影响。Wang等人的研究[16]表明，改变Al-11.5Si合金的凝固条件可以改变金属间化合物的稳定性，促进π-Al?FeMg?Si?和α-Al?Fe?Si相的溶解，并促进δ-Al?FeSi?的沉淀。在不同凝固条件下，β-Al?FeSi和δ-Al?FeSi?相的稳定性机制也被揭示。不同冷却速率下α-Al?Fe?Si相、β-Al?FeSi相[11]和Al?Ti相的沉淀行为和相变行为也存在显著差异。因此，研究铝钛硅铁合金体系中的相沉淀行为和相变规律对于调控其微观结构、进一步优化其铸态性能和改善FIMC分布具有重要意义。

以Al-6Si-1Fe为基准成分，我们通过空气冷却和水淬凝固工艺合成了不同钛含量的变体（Al-6Si-xTi-1Fe，其中x = 1, 2, 3 wt.%）。采用透射电子显微镜（TEM）、电子探针能量色散谱仪（EPMA）、X射线衍射（XRD）、电子背散射衍射（EBSD）和扫描电子显微镜（SEM）系统地分析了铸态基体形态和沉淀物的晶体结构。研究了不同冷却条件下初生Al?Ti相对Al-6Si-xTi-1Fe合金中第二相沉淀和相变行为的影响。这些结果为开发具有优异微观结构的铝硅钛铁合金提供了新的见解和证据。本研究将通过力学性能-微观结构的协同分析，定量验证钛调控和快速冷却过程对性能提升的作用。

材料制备

采用高纯度铝锭和Al-5Ti、Al-20Fe、Al-26Si（均为wt.%）母合金，制备了名义成分为Al-6Si-xTi-1Fe（x=1,2,3 wt.%）的铝合金。首先将纯铝加入石墨坩埚中，待铝完全熔化后，依次加入Al-5Ti、Al-20Fe和Al-26Si母合金。加热至800 ℃并保持1小时，确保合金完全熔化。然后加入覆盖剂（成分未提供）

Al-6Si-xTi-1Fe合金的微观结构特征

本研究使用XRD分析了Al-6Si-xTi-1Fe合金的相组成，XRD图谱如图2所示。这六种合金主要由α-Al基体、共晶Si相、Al?Ti相（晶胞参数：3.8537×3.8537×8.5839 ?，晶格角：<90°×90°×90°）[18]、θ-Al??Fe?相（晶胞参数：15.489×8.083×12.476 ?，晶格角：<90°×107.7°×90°）[19]、α-Al?Fe?Si相（晶胞参数：12.4056×12.4056×26.236 ?，晶格角：<90.0°×90.0°×120.0°）[20]和β-Al?FeSi相组成

结论

本研究系统地探讨了冷却速率和钛浓度（1-3 wt.%）对Al-6Si-xTi-1Fe合金微观结构演变的影响。通过控制冷却速率的变化、全面的微观结构表征和热力学分析，我们得出以下关键发现：

(1)

该合金主要由α-Al、共晶Si、Al?Ti和含铁金属间化合物（θ-Al??Fe?、α-Al?Fe?Si和β-Al?FeSi）组成。铁元素

作者贡献声明

黄洪军：指导与资金获取。袁晓光：指导。岳春宇：指导。林学健：指导、资金获取与正式分析。徐凯南：软件处理、数据管理。付春哲：撰写-审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法学研究、正式分析、数据管理。

利益冲突声明

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致谢

本研究得到了辽宁省自然科学基金联合项目-博士研究启动计划（2023-BSBA-258和2024-BSLH-173）以及辽宁省教育厅重点研究项目（LJ212410142003）的支持