类型a：

高压压铸亚共晶Al-Si合金中TiB₂对偏析带、气孔及力学性能的影响研究

一、研究团队与发表信息
本研究由大连理工大学材料科学与工程学院凝固控制与数字化制备技术重点实验室（辽宁省）的Lei Liu、Weixiao Yang、Kai Zhao等学者主导，合作单位包括深圳领威科技有限公司（Shenzhen Leadwell Technology Co., Ltd）和湖南湘投金天钛金属有限公司（Hunan Xiangtou Goldsky Titanium Metal Co., Ltd）。通讯作者为Zongning Chen和Tongmin Wang。研究成果发表于期刊*Materials Characterization*第221卷（2025年），论文标题为《The effects of TiB₂ on segregation bands, porosities and mechanical properties of hypoeutectic Al–Si alloys by high pressure die-casting》。

二、学术背景与研究目标
高压压铸（High Pressure Die Casting, HPDC）是汽车轻量化结构件的主流制造工艺，但传统HPDC铝合金因气孔（gas porosity）和缩松（shrinkage）等缺陷导致力学性能下降。亚共晶Al-Si-Mn-Mg合金（hypoeutectic Al-Si-Mn-Mg alloys）因优异的流动性和承载性能被广泛应用，但其缺陷控制仍面临挑战。

本研究聚焦TiB₂晶粒细化剂对HPDC铝合金中两类关键缺陷的影响：
1. 偏析带（segregation bands）：由半固态合金剪切变形导致的宏观偏析，降低延伸率；
2. 气孔：包括卷气孔（gas pores）和缩松（shrinkage pores），由外部凝固晶粒（Externally Solidified Crystals, ESCs）阻碍熔体补缩引发。

研究目标是通过添加TiB₂，解析ESCs与模具内形核的α-Al晶粒（(α-Al)II grains）的协同作用机制，为大型一体化压铸（giga-casting）缺陷控制提供新思路。

三、研究流程与方法
1. 材料制备与成分设计
- 采用工业纯铝（CP-Al）、Al-10Si中间合金等原料熔炼Al10SiMnMg（高硅）和Al7SiMnMg（低硅）合金，添加0.02% TiB₂和Sr变质剂。
- 通过冷室压铸机（LK-DCC280T）制备125 mm×100 mm×3 mm薄板试样，工艺参数：慢压射速度0.15 m/s、快压射速度1 m/s、压射压力30 MPa。

1. 微观结构表征

   • 三维缺陷分析：X射线断层扫描（X-ray CT）量化气孔体积分数（volume fraction）、等效直径（equivalent sphere diameter）及分布。
     
   • 晶粒与偏析带观测：光学显微镜（OM）和电子背散射衍射（EBSD）分析ESCs面积分数（area fraction）及(α-Al)II晶粒尺寸；扫描电镜（SEM）结合电子探针（EPMA）解析元素偏析。
     
   • 力学性能测试：拉伸试验（UTS、YS、延伸率）和维氏硬度（HV）评估不同区域（表面、偏析带、中心）性能。
     

2. 创新性方法

   • TiB₂颗粒表征：通过深腐蚀SEM和透射电镜（TEM）确认TiB₂的六方晶系结构（图2），平均尺寸0.28 μm，避免Al₃Ti导致的“硅中毒”（Si-poisoning）。
     
   • 剪切变形量化：基于EBSD的核平均取向差（Kernel Average Misorientation, KAM）映射半固态合金的应变分布。
     

四、主要研究结果
1. TiB₂的双重作用机制
- ESCs增加：TiB₂促进浇注套（shot sleeve）内异质形核，Al10SiMnMg合金的ESCs面积分数从6%（表面）增至35%（中心）；Al7SiMnMg合金因液相线温度更高，ESCs含量进一步升高至61%。
- (α-Al)II晶粒细化：模具内形核的α-Al晶粒尺寸从7.99 μm（未添加）降至5.59 μm（添加TiB₂），归因于TiB₂降低形核过冷度（undercooling）。

1. 缺陷演化规律

   • 偏析带弱化：高硅合金（Al10SiMnMg）中TiB₂使偏析带宽度从364 μm增至894 μm且边界模糊；低硅合金（Al7SiMnMg）偏析带几乎消失，但中心出现共晶团簇（eutectic colonies）。
     
   • 气孔变化：高硅合金气孔体积分数从1.01%降至0.17%，而低硅合金因ESCs网络阻碍补缩，缩松体积分数从0.58%增至3.04%（图7）。
     

2. 力学性能响应

   • 高硅合金性能提升：抗拉强度（UTS）从256.7 MPa增至293.4 MPa，延伸率从3.3%提升至4.5%，归因于气孔减少和(α-Al)II晶粒细化。
     
   • 低硅合金性能下降：延伸率从7.0%降至5.7%，因ESCs互联网络加剧脆性断裂（图9）。
     

五、结论与价值
1. 科学价值：首次阐明TiB₂通过ESCs与(α-Al)II晶粒的耦合作用调控偏析带和气孔的形成机制，提出“剪切变形协调能力”概念解释缺陷差异。
2. 应用价值：为高硅HPDC合金的缺陷控制提供工艺优化方向（如TiB₂添加量需匹配Si含量），避免低硅合金因ESCs过量导致的性能劣化。

六、研究亮点
1. 方法创新：结合X-ray CT三维重构与KAM应变分析，建立微观结构-缺陷-性能的定量关联。
2. 发现创新：揭示TiB₂对偏析带“模糊化”作用，挑战了传统认知中ESCs含量与偏析带正相关的观点。

七、其他价值
研究指出，未来需进一步优化TiB₂粒径分布（如纳米/微米级复合添加），以适配HPDC不同冷却速率区的形核需求。