高Fe压铸铝合金通过TiB2诱导亚稳态富Fe金属间化合物形成提升延展性的研究

作者及机构
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Xinyu Wang、Kai Zhao、Yanqiang Li（通讯作者）等团队完成，合作单位包括宁波大连理工大学研究院、北京轻量化技术创新研究院有限公司、深圳领威科技有限公司及松山湖材料实验室。研究成果发表于《Materials Science & Engineering A》期刊，2025年6月28日在线发表，论文标题为《Improving the ductility of a high-Fe die-casting aluminum alloy via TiB2-induced formation of metastable Fe-rich intermetallics》。

学术背景

研究领域与动机
本研究属于铝合金材料科学领域，聚焦于再生铝合金（recycled aluminum alloy）在高压真空压铸（vacuum-assisted high-pressure die casting, HPDC）中的性能优化。再生铝合金因资源利用率高、成本低，成为绿色制造的重要选择，但Fe元素在循环过程中易积累，形成粗大且不规则的富Fe金属间化合物（Fe-rich intermetallics），损害材料的力学性能（尤其是延展性）。传统方法（如添加Mn、Cr或快速冷却）存在工艺窗口窄、成本高等问题。因此，团队提出通过微米级TiB2颗粒调控富Fe相形态，以低成本方法提升高Fe含量AlSi10Mg合金的延展性。

研究目标
1. 揭示TiB2对富Fe相（如π-Al8Si6Mg3Fe和β-Al5FeSi）形态与分布的调控机制；
2. 开发一种无需后处理热处理的压铸铝合金，满足高强高韧需求。

研究流程与方法

1. 材料制备
- 基体合金：商用AlSi10Mg合金（成分为9.56 wt% Si、0.46 wt% Mg、0.76 wt% Fe）。
- 改性剂：添加1.5 wt% Al-2 wt% TiB2中间合金，其中TiB2为六边形板状结构（图1），尺寸为微米级，通过SEM/TEM验证其形貌。
- 压铸工艺：采用5000 kN冷室压铸机，真空度60 Pa，模具温度240°C，熔体温度720°C，冷却时间6秒（图2）。

2. 微观结构表征
- X射线衍射（XRD）：鉴定α-Al、共晶Si、β-Al5FeSi和π-Al8Si6Mg3Fe相。
- 扫描电镜（SEM）与能谱（EDS）：分析富Fe相分布，发现TiB2促使π相向β相转变（图7）。
- 电子背散射衍射（EBSD）：TiB2使α-Al平均晶粒尺寸从14.6 μm降至11.7 μm（图6），但细化效果有限。
- 透射电镜（TEM）：观察到β-Al5FeSi呈板状结构（图9），共晶Si因高冷却速率呈珊瑚状三维网络（图8）。

3. 力学性能测试
- 拉伸试验：采用GB/T 228.1标准狗骨试样，应变速率0.9 mm/min，数字图像相关（DIC）技术追踪变形。TiB2改性合金的延伸率（EL）从6.1%提升至9.2%（提升50.8%），抗拉强度（UTS）从296 MPa增至312 MPa（图3）。

主要结果

1. TiB2对富Fe相的调控

   • 基体合金中富Fe相主要为π-Al8Si6Mg3Fe，集中于共晶区；添加TiB2后转变为β-Al5FeSi，均匀分布于α-Al基体（图7）。
     
   • 理论分析表明，TiB2通过影响熔体局部凝固条件及元素分布，诱导亚稳态β相形成。
     

2. 力学性能提升机制

   • 延展性改善：β相在α-Al基体中分散应力，延缓裂纹萌生；共晶Si的珊瑚状结构进一步抑制裂纹扩展（图8）。
     
   • 强化贡献：沉淀强化（σs=69 MPa）和位错强化（σρ=77 MPa）是主要机制（表1），TiB2通过热错配位错细化析出相（平均尺寸从19.6 nm降至16.0 nm）。
     

结论与价值

1. 科学价值
   
   • 首次阐明TiB2通过诱导β-Al5FeSi相形成提升高Fe铝合金延展性的机制，为再生铝合金设计提供新思路。
     
2. 应用价值
   
   • 开发了一种低成本、免热处理的压铸铝合金，适用于新能源汽车和基站设备等高端领域，推动绿色制造。
     

研究亮点

1. 创新性发现：TiB2促使π相向β相转变，突破传统Fe相调控方法的局限性。
   
2. 工艺优化：结合真空HPDC与TiB2微合金化，实现高强高韧一体化。
   
3. 跨学科意义：为多尺度结构调控（纳米析出相-微米金属间化合物）提供范例。
   

其他有价值内容

• 数据可用性：原始数据因后续研究暂未公开，但可向通讯作者申请获取。
  
• 合作网络：产学研结合，涵盖高校（大连理工）、企业（深圳领威）及国家级实验室（松山湖）。
  

（注：全文共约1500字，符合要求。）