Mater. Sci. Eng., A：鋇改性對Al-7Si合金組織與性能的影響

【引言】

鋁具有儲量大、比強度高、良好的耐磨性和抗腐蝕性、優良的導電性以及價格適中等特點，是實現汽車和航空工業輕量化的關鍵材料。工業化應用的鋁合金分為鑄造鋁合金和變形鋁合金，而鑄造鋁合金零件占鋁合金的75%以上。Al-Si基合金作為最主要的鑄造鋁合金，由于其中Si具有低的密度和線膨脹系數，大的結晶潛熱和低的收縮率，從而提高了Al-Si鑄造合金的流動性，減小澆注過程中鑄件的縮孔、縮松、變形和熱裂等缺陷，改善了Al-Si合金的鑄造性能，使其占所有鑄造鋁合金的80％以上。最常見的鑄造鋁合金含有5至12％（質量分數）的硅，并且合金中含有硬質脆性硅顆粒的共晶體積分數通常超過40％。影響共晶Si成核和生長的化學改性被認為是改善機械性能，特別是延展性的有效方式。鋇（Ba）是堿土金屬，據報道會引起Al-Si合金力學性能顯著的改變。然而，關于Ba含量對Al-Si合金組織，特別是共晶Si，金屬間化合物和孔隙率以及力學性能的影響的詳細研究是有限的。

【成果簡介】

近日，重慶大學鄭江教授以及西南交通大學尹冬弟副教授（共同通訊作者）團隊在Mater. Sci. Eng. A發表一篇題為“Modification of eutectic Si and the microstructure in an Al-7Si alloy with barium addition”的文章。該團隊探討了Ba含量對共晶Si，金屬間化合物和孔隙率以及力學性能等微觀結構特征的影響，并闡明Ba加入引起的改性機制。研究表明，在Al-7Si合金中加入0.15wt. pct（質量分數）Ba，將共晶Si的形態從粗片狀改變為細纖維狀，極大地提高了極限拉伸強度和伸長率。然而，Ba添加（≥0.15wt. pct）誘導形成粗大的塊狀含Ba相（即Al₂Si₂Ba相）和孔隙度增量，并且結果對延展性有不利影響。熱分析表明，由于Ba₃P₂相的形成，Ba添加抑制了共晶Si的成核。在含Ba合金中觀察到高密度的顯著多重Si孿晶，為雜質誘導孿晶生長機制提供了實驗支持。

【圖文導讀】

表1 所研究的合金的實際化學組成

圖1 添加與不添加Ba的Al-7Si合金的DSC曲線圖

第一次放熱對應于α-Al的凝固，第二次放熱與共晶Si沿晶界的凝固有關。

表2 共晶成核溫度（TN）——第二次放熱的起始溫度

圖2 Al-7Si合金基的光學顯微鏡圖

（a）和（b）未改性的；

（c）和（d）0.05 pct Ba;

（e）和（f）0.15 pct Ba;

（g）和（h）0.50 pct Ba;

（i）和（j）70?ppm?Sr.

圖3 Al-7Si-0.15Ba and Al-7Si-0.5Ba合金的SEM圖

（a）Al-7Si-0.15Ba的SEM圖;

（b）Al-7Si-0.15Ba合金的背散射電子（BSE）圖像;

（c）Al-7Si-0.5Ba的SEM圖;

（d）Al-7Si-0.5Ba合金的背散射電子（BSE）圖像。

表3 對Al-7Si-0.15Ba和Al-7Si-0.5Ba合金中含Ba相的EDS點測量

圖4 Al-7Si-xBa合金的孔隙率（x = 0,0.05,0.15和0.5）

Ba含量從0.05pct增加到0.5pct時，孔隙率從0.04％上升到0.40％，枝晶間區域共晶晶粒的形核導致進料效率的降低，而共晶晶粒阻塞進料通道導致孔隙率增加。

圖5 Al-7Si合金的Si顆粒的TEM明場圖(入射電子束平行于<011> _Si)

（a）未改性的;

（b）Al-7Si-0.15Ba.

圖6 Al-7Si-xBa合金的拉伸性能（x = 0,0.05,0.15和0.5）

當Ba含量達到0.15pct時，Si顆粒被完全改性成纖維，從而改善延展性和UTS；添加量更多（0.5pct）時，Al₂Si₂Ba相的形成以及孔隙率的增加導致拉伸性能下降；Si顆粒的改性與孔隙度對YS影響較小。

圖7 拉伸試驗斷裂后的Al-7Si-xBa合金的光學顯微圖（x = 0,0.05,0.15和0.5）

（a）Al-7Si;

（b）Al-7Si-0.05Ba;

（c）Al-7Si-0.15Ba;

（d）Al-7Si-0.5Ba.

圖8 Al-7Si-xBa合金斷裂表面的SEM圖（x = 0,0.05,0.15和0.5）

（a）Al-7Si;

（b）Al-7Si-0.05Ba;

（c）Al-7Si-0.15Ba;

（d）Al-7Si-0.5Ba.

【小結】

本文研究了Al-7Si合金中Ba含量對共晶Si，金屬間化合物和孔隙率以及力學性能等微觀結構特征的影響。添加0.05％Ba時，Al-7Si合金中的共晶Si部分改性，而0.15％Ba添加量將共晶Si顆粒從粗片狀改變成細纖維狀，導致形成Al₂Si₂Ba相，以及較高的孔隙度。更多的Ba添加（即0.5pct）使得共晶Si更粗糙，并且Al₂Si₂Ba相的量和尺寸都增加。Ba的加入導致形成熱力學穩定的Ba₃P₂相，并使AlP顆粒失活，成核位置（即AlP）的量減少，因此共晶成核溫度（TN）降低。隨著Ba含量上升到0.15pct，Si晶粒的改性降低了應力集中，是提高UTS和延性的主要機制，而YS沒有明顯變化。在含有較多Ba（0.5pct）的合金中，粗大的Al₂Si₂Ba相的形成和孔隙率的增加成為引起的應力集中的主要機制，對UTS和塑性有不利影響。粗大的Al₂Si₂Ba相的形成由于Si的消耗，降低了固溶強化效應，共晶Si顆粒強化效應也降低了YS。0.15％Ba添加促進了高密度多重Si孿晶的生長，為雜質誘導孿晶機制（IIT）IIT提供了實驗支持。

文獻鏈接：Modification of eutectic Si and the microstructure in an Al-7Si alloy with barium addition（Mater. Sci. Eng. A, 2018, DOI: 10.1016/j.msea.2018.05.010）

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本文由材料人編輯部新人組李峰編輯，陳炳旭審核，點我加入材料人編輯部。

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