Mater. Sci. Eng., A：钡改性对Al-7Si合金组织与性能的影响

【引言】

铝具有储量大、比强度高、良好的耐磨性和抗腐蚀性、优良的导电性以及价格适中等特点，是实现汽车和航空工业轻量化的关键材料。工业化应用的铝合金分为铸造铝合金和变形铝合金，而铸造铝合金零件占铝合金的75%以上。Al-Si基合金作为最主要的铸造铝合金，由于其中Si具有低的密度和线膨胀系数，大的结晶潜热和低的收缩率，从而提高了Al-Si铸造合金的流动性，减小浇注过程中铸件的缩孔、缩松、变形和热裂等缺陷，改善了Al-Si合金的铸造性能，使其占所有铸造铝合金的80％以上。最常见的铸造铝合金含有5至12％（质量分数）的硅，并且合金中含有硬质脆性硅颗粒的共晶体积分数通常超过40％。影响共晶Si成核和生长的化学改性被认为是改善机械性能，特别是延展性的有效方式。钡（Ba）是碱土金属，据报道会引起Al-Si合金力学性能显著的改变。然而，关于Ba含量对Al-Si合金组织，特别是共晶Si，金属间化合物和孔隙率以及力学性能的影响的详细研究是有限的。

【成果简介】

近日，重庆大学郑江教授以及西南交通大学尹冬弟副教授（共同通讯作者）团队在Mater. Sci. Eng. A发表一篇题为“Modification of eutectic Si and the microstructure in an Al-7Si alloy with barium addition”的文章。该团队探讨了Ba含量对共晶Si，金属间化合物和孔隙率以及力学性能等微观结构特征的影响，并阐明Ba加入引起的改性机制。研究表明，在Al-7Si合金中加入0.15wt. pct（质量分数）Ba，将共晶Si的形态从粗片状改变为细纤维状，极大地提高了极限拉伸强度和伸长率。然而，Ba添加（≥0.15wt. pct）诱导形成粗大的块状含Ba相（即Al₂Si₂Ba相）和孔隙度增量，并且结果对延展性有不利影响。热分析表明，由于Ba₃P₂相的形成，Ba添加抑制了共晶Si的成核。在含Ba合金中观察到高密度的显著多重Si孪晶，为杂质诱导孪晶生长机制提供了实验支持。

【图文导读】

表1 所研究的合金的实际化学组成

图1 添加与不添加Ba的Al-7Si合金的DSC曲线图

第一次放热对应于α-Al的凝固，第二次放热与共晶Si沿晶界的凝固有关。

表2 共晶成核温度（TN）——第二次放热的起始温度

图2 Al-7Si合金基的光学显微镜图

（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.

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

（a）Al-7Si-0.15Ba的SEM图;

（b）Al-7Si-0.15Ba合金的背散射电子（BSE）图像;

（c）Al-7Si-0.5Ba的SEM图;

（d）Al-7Si-0.5Ba合金的背散射电子（BSE）图像。

表3 对Al-7Si-0.15Ba和Al-7Si-0.5Ba合金中含Ba相的EDS点测量

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

Ba含量从0.05pct增加到0.5pct时，孔隙率从0.04％上升到0.40％，枝晶间区域共晶晶粒的形核导致进料效率的降低，而共晶晶粒阻塞进料通道导致孔隙率增加。

图5 Al-7Si合金的Si颗粒的TEM明场图(入射电子束平行于<011>_Si)

（a）未改性的;

（b）Al-7Si-0.15Ba.

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

当Ba含量达到0.15pct时，Si颗粒被完全改性成纤维，从而改善延展性和UTS；添加量更多（0.5pct）时，Al₂Si₂Ba相的形成以及孔隙率的增加导致拉伸性能下降；Si颗粒的改性与孔隙度对YS影响较小。

图7 拉伸试验断裂后的Al-7Si-xBa合金的光学显微图（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.

图8 Al-7Si-xBa合金断裂表面的SEM图（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.

【小结】

本文研究了Al-7Si合金中Ba含量对共晶Si，金属间化合物和孔隙率以及力学性能等微观结构特征的影响。添加0.05％Ba时，Al-7Si合金中的共晶Si部分改性，而0.15％Ba添加量将共晶Si颗粒从粗片状改变成细纤维状，导致形成Al₂Si₂Ba相，以及较高的孔隙度。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的加入导致形成热力学稳定的Ba₃P₂相，并使AlP颗粒失活，成核位置（即AlP）的量减少，因此共晶成核温度（TN）降低。随着Ba含量上升到0.15pct，Si晶粒的改性降低了应力集中，是提高UTS和延性的主要机制，而YS没有明显变化。在含有较多Ba（0.5pct）的合金中，粗大的Al₂Si₂Ba相的形成和孔隙率的增加成为引起的应力集中的主要机制，对UTS和塑性有不利影响。粗大的Al₂Si₂Ba相的形成由于Si的消耗，降低了固溶强化效应，共晶Si颗粒强化效应也降低了YS。0.15％Ba添加促进了高密度多重Si孪晶的生长，为杂质诱导孪晶机制（IIT）IIT提供了实验支持。

文献链接：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）

本文由材料人编辑部新人组李峰编辑，陈炳旭审核，点我加入材料人编辑部。

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