导读：本文系统研究了5 GPa高压下制备的Al - 7Si - 3Cu合金的显微组织演变和力学性能。研究发现，由于高压下生长界面的稳定性增强，枝晶结构消失。同时，在共晶Si中实现了可观的溶质诱导变质效果。此外，在晶内区域还观察到非常规的较大共晶团和超细纳米晶共晶。结合详细的微观结构表征，讨论了高压对这些孤立相演化的关键作用。本研究还探索了直接时效和固溶时效处理下制备合金的析出行为和强化机制。直接时效处理后，由于合金元素的固溶度增加，在基体中同时形成了θ'相、粗大的Al2Cu颗粒和Si颗粒，其力学性能最高，显微硬度为132.8 HV，压应力为715 MPa。固溶时效处理导致Si在θ'相上的偏聚，根据第一性原理计算，这在能量上是有利的。这项工作为通过高压操作优化铝硅基合金的微观结构提供了新的见解，并为进一步的工业应用铺平了道路。
Al - Si - Cu基铸造合金具有比强度高、耐磨性好、收缩率低、耐腐蚀性好、可回收利用等优点，是一类在汽车零部件制造中广泛应用的时效硬化材料。通过微观组织调控来改善这些合金的力学性能已经成为多年来的研究主题，许多改性策略可以在文献中找到，如采用先进的制备技术来消除传统铸造方法带来的缺陷，优化热处理参数来调节热历史和调节析出行为，以及添加特定的合金元素来细化晶粒尺寸和调节析出相的成分和晶体学特征等。
由于亚共晶Al - Si基合金的发展受到针状/板状共晶Si形成的困扰，这一困境使得Si相可以在很大范围内被调整以同时具有更细的形貌和更高的强度。一方面，旨在消除共晶Si有害锐边效应的改性方法被广泛采用。通过化学修饰以及剧烈塑性变形、高强度超声振动、超重力处理等物理处理，共晶Si变成球状甚至纤维状，可以有效抑制裂纹的萌生和扩展。另一方面，通过快速凝固、增材制造等技术，充分利用Si的固溶潜力，追求纳米级Si析出相。由此产生的均匀Si析出相和超细共晶Si相协同作用，优化了Al - Si基合金的力学性能。
θ ' - Al2Cu相的析出对Al - Si - Cu基合金的高强度性能也起着至关重要的作用，如何利用和扩展θ '相的强化作用一直备受关注。热处理工艺的设计是控制θ '相数量、尺寸和形貌的可行方法。尽管微合金化方法在优化现有析出相和形成新的析出相形态方面具有很大的潜力但合金元素的物理要求(在Al中的低扩散系数和低溶解度)和数量限制(否则将导致脆性的初生金属间化合物)是进一步提高力学性能的主要限制因素。
压力作为一种基本的热力学变量，已被越来越多地应用于具有不寻常微观结构和性能的材料的科学研究中。压力可以影响原子间距离和成键模式，改变电子轨道占据状态，拓宽材料的能带。此外，压力能够使二元甚至更复杂体系的相平衡图发生实质性的移动。因此，压力被认为是一种可行的和富有想象力的调节工具，可以创造在大气条件下无法获得的新材料。高压对金属工程材料的影响更加复杂和难以预测，这是由于在高压下制备过程中热力学和动力学参数的剧烈变化和相互作用。一般来说，许多研究人员利用三种压力诱导的优点来获得具有独特改进的力学性能的材料。首先，由于形核刺激、晶体生长限制或成分过冷度增大，提高压力有助于细化合金的组织。Ma等研究表明，在3 GPa压力下凝固的Al - 20Si合金中，共晶Si的形貌由片状变为纤维状，极限抗拉强度比常压下凝固的合金提高了近一倍。其次，施加高压有利于获得合金元素固溶度高的材料。这一效应在其他作者在Al - Mg 、Al - Si 、Al - Cu、Al - Ge 、Mg - Al - Zn合金等研究中得到了广泛证实。第三，释放压力后可以保留不常见的结构甚至新的亚稳相。这种不可逆性被几个小组利用，通过形成新的纳米级析出相、具有惊人体积模量的新第二相和分等级包块板条马氏体纳米孪晶等来提高力学性能。尽管高压科学的深入研究和快速发展，高压对三元Al - Si - Cu合金的调控作用仍然知之甚少。高压下的微观结构变化以及随后不同热处理下的析出行为仍不确定。
为了进一步了解高压对5 GPa压力下制备的Al - 7Si - 3Cu合金组织演变和力学性能的影响。对Al基体和各种形式的共晶进行了详细的显微组织表征。讨论了高压下生长界面稳定性和Si的改性机理。还关注了不同热处理条件下形成的复杂析出相，并分析了相应的力学性能。哈尔滨工业大学金属精密热加工国家重点实验室的王宏伟教授团队进行了相关的研究工作，其研究成果以“Microstructural evolution and precipitation behavior of Al–7Si–3Cu alloy prepared under 5 GPa”为题，发表在Journal of Materials Science & Technology上。
链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S100503022300316X
图1
HP实验的示意图
图2
HP实验的加工历史示意图
图3
# 1和# 3合金的XRD图谱
图4
Al - 7Si - 3Cu合金的显微组织：合金# 1的( a , b) OM图像；( c ) # 3合金的OM图像；( d ) # 3合金的SEM照片；( e-h )不同形貌和成分的晶内共晶团；( i )纳米级球形相；( j ) - ( l )纳米球状相的EDS mapping结果。
图5
TEM下# 3合金中由纳米晶相组成的纳米级球形颗粒的微观结构细节：球形颗粒在不同放大倍数下沿Al [ 110 ]轴的( a , b) BF图像；( c-f )球形颗粒EDS面扫描结果；在不同放大倍数下，超细Si的( g , h) HRTEM照片显示了沿其[ 011 ]轴的薄孪晶和致密层错( SFs )；( i )超细Al2Cu沿[ 110 ]轴的HRTEM照片。插图是对应的SAED或快速傅里叶变换( FFT )图案。
图6
# 3合金中一个纳米晶结构更细小的球形颗粒的TEM照片：( a )沿Al [ 112 ]轴的球形颗粒的BF照片；( b ) HRTEM照片显示球形颗粒内部存在极其细小的纳米晶结构；( c ) ( b )显示多晶衍射环的FFT图；( d-f )球形颗粒(高倍率映射结果附在每张图像的右上角)的EDS mapping结果。
图7
( a ) AP合成合金(合金# 2 )沿Al的[ 100 ]轴进行固溶处理和人工时效后的BF图像。5 GPa合成合金人工时效后的显微组织(合金# 4 )：( b ) Al - Si - Al2Cu共晶的BF图像，白色虚线矩形区域对应的EDS mapping结果；( c )具有内部纳米晶结构的四种典型球形颗粒的BF图像；( d ) ( c )中黄色虚线矩形标记的球形颗粒(区域A )与Al基体(区域B )的界面；( e )沿Al的[ 110 ]轴放大较高的球形颗粒中A区域的纳米晶组织；( f ) A区域内纳米晶晶粒的HRTEM照片；( g )沿Al的[ 100 ]轴方向基体中多个析出相的BF像；( h ) Al基体中析出相的EDS面扫描结果；( i ) Al沿[ 100 ]轴B区域析出相的HRTEM照片。
图8
合金# 5：( a , b)在不同放大倍数下固溶处理后的SEM照片微观组织细节；( c-e )对应( b )的EDS mapping结果；不同放大倍数下固溶处理和人工时效后基体中析出相沿Al [ 100 ]轴的( f , g) BF图像；( h )基体中θ '相的EDS面扫描结果；( i ) Si偏析θ '相的EDS面扫描结果。
在5 GPa压力下制备Al - 7Si - 3Cu合金，并对合金进行直接时效或固溶时效处理。与AP下的凝固组织和析出行为相比，凝固组织和析出行为发生了新的有益变化。主要结果如下：5 GPa下制备的合金中枝晶结构消失。固液界面前方较低的溶质富集和高压下受限的溶质扩散性共同导致了更温和的生长扰动和更稳定的生长界面。
在5 GPa下制备的合金晶内区域观察到非常规共晶团和致密的超细纳米晶共晶。较慢的溶质扩散以及位错与高浓度溶质的相互作用导致局部富溶质液相区的出现，进而在凝固过程中形成纳米晶共晶。
在5 GPa下制备的合金中，晶间和晶内共晶中的共晶Si相均呈现不同细化程度的珊瑚状形貌。较高的溶质含量和较低的扩散系数可能在共晶液相中提供丰富而持久的溶质，从而有效地限制共晶Si的生长，并导致分支柔性和多重孪生。
直接时效后，由于合金元素的固溶度显著提高，基体中同时析出θ '相、粗大的Al2Cu颗粒和Si颗粒。在固溶处理后的人工时效过程中，观察到Si在θ '相上的偏聚，根据第一性原理计算，这在能量上是有利的。