富含氧空位的MoS?/Au@Cu?O复合材料，可实现高选择性及超快速检测硫化氢

《Journal of Alloys and Compounds》：Oxygen vacancies-rich MoS 2/Au@Cu 2O for highly selective and ultrafast detection of hydrogen sulfide

本研究开发了两阶段退火工艺（550℃/4h+450℃/4h），通过动力学分离硅球化与粗化过程，获得高球形度细小硅颗粒，使Al-Si合金延展性提升至27.2%，同时保持约194MPa抗拉强度。机制研究表明硅颗粒破碎及晶体学旋转导致取向随机化，定量EBSD显示几何必需位错密度从2.0×1014m-2增至3.1×1014m-2，归因于纳米硅析出引起的微应变强化。该合金经80%冷轧后实现226MPa与8.5%的综合强韧性能。

　　

庞勇|马永义|陈晨|陈勇|黄宏斌|龚浩|王松|王军|罗丽梅

合肥工业大学材料科学与工程学院，中国合肥230009

摘要

共晶Al-Si合金固有的脆性源于铸造过程中形成的粗大片状Si网络，这限制了它们在高性能部件中的应用。本研究开发了一种两阶段退火工艺（550°C/4小时 + 450°C/4小时），旨在将硅的球化过程与粗化过程动态分离。优化后的工艺产生了细小、高度球形的Si颗粒，使材料的延展性提高了27.2%，相比最佳单阶段退火工艺（延展性为18.3%）有了显著提升，同时保持了约194 MPa的极限抗拉强度。机制研究表明，这一变化涉及Si颗粒的破碎及其随后的晶体学旋转，从而随机化了它们的取向分布。定量EBSD分析显示，几何必要位错（GND）密度从单阶段样品的2.0 × 10^14 m^-2增加到两阶段样品的3.1 × 10^14 m^-2，这归因于纳米级Si颗粒的重新沉淀，引入了微应变硬化效应。形态、晶体学和微应变的协同演变使合金能够承受80%的冷轧变形，最终实现了226 MPa的抗拉强度和8.5%的延展性组合。

引言

铝硅（Al-Si）合金由于其优异的铸造性能、良好的耐腐蚀性和高比强度，在汽车和航空航天领域被广泛用作铸造材料[1]。然而，这些合金的性能潜力受到其凝固后微观结构的根本限制[2][3]。在共晶或接近共晶成分的合金中，共晶Si相的生长受动力学驱动的双晶面内凹边缘（TPRE）机制控制，导致凝固过程中形成粗大的、相互连接的针状或片状网络[4][5][6]。这种由凝固过程决定的微观结构赋予了合金固有的脆性[7]。这种脆性不仅限制了合金在耐损伤部件中的直接应用，还严重影响了其加工性能，从而大大限制了通过冷轧等传统强化工艺进一步提高性能的可能性。

为了解决这一限制，人们建立了一种标准的微观结构控制方法：首先通过熔体化学改性（例如使用Na[8]、Sr[10]、Ca[11]和Sb[12]）将粗大的Si片细化为纤维状网络，然后通过固态热处理将其转化为分散的球形颗粒[13][14][15]。尽管化学改性显著改善了铸态结构，但后续的热处理对于显著提高韧性至关重要。然而，传统的单阶段退火工艺在实现这一转变时面临球化与颗粒粗化之间的内在动力学冲突，这可能限制了最终的强化效果[16]。

尽管在铝合金中已经应用了多阶段热处理，但以往的研究主要集中在优化金属间化合物的溶解或时效硬化相的沉淀行为上。例如，Yang等人[17]和An等人[18]开发了Al-Si-Cu合金的两阶段固溶处理方法，以在不引起初始熔化的情况下溶解Al2Cu相。同样，Xiao等人[19]和Aguilera Luna等人[20]采用多阶段时效来调控强化相的沉淀动力学。然而，专门针对通过多阶段退火分离共晶硅球化和粗化动力学的控制的研究仍然有限。大多数现有的硅控制策略仍然依赖于单阶段处理，这通常需要在颗粒圆度和尺寸之间做出妥协。本研究的独特之处在于应用了两阶段退火策略，旨在动态分离这些竞争机制。通过选择高温的第一阶段以最大化颗粒破碎，以及低温的第二阶段来促进球化同时抑制Ostwald熟化，我们旨在突破传统处理的局限。

在本研究中，我们采用了一种新颖的两阶段退火工艺，旨在通过不同阶段的精确动力学调控实现有效的微观结构控制。本文的主要目的是系统研究并阐明热处理过程中共晶Si的形态和晶体学演变的协同效应，并阐明它们共同增强延展性的机制。研究观察到延展性显著提高，并通过电子背散射衍射（EBSD）分析了这一过程中鲜有关注的物理现象——共晶Si的晶体学旋转。

这项工作系统地展示了两阶段退火工艺如何通过破碎、球化和旋转等机制实现微观结构控制。这种控制的有效性将通过延展性的显著提高得到验证。最后，通过后续的大应变塑性变形及其时效行为，我们将展示该材料的塑性成形潜力，并进一步深入理解这一合金系统的独特物理冶金行为，特别是Si相沉淀的特性。这项研究不仅为改善共晶Al-Si合金的性能提供了有效的处理方法，还对其强化机制提供了更详细的见解。

材料与实验程序

在SG2-5-10型电阻炉中，使用高纯度铝（99.99%）和硅（99.5%）制备了Al-12.7Si（重量百分比）合金。选择这种高纯度配方作为模型系统，是为了研究共晶Si相的固有微观结构演变，减少商业合金中常见的复杂金属间化合物（如富Fe相）的干扰。熔体在670°C下保持并脱气精炼后进行铸造。

初始微观结构和晶体学特征

图1展示了铸态Al-12.7Si合金的初始微观结构，通过光学显微镜和电子显微镜观察得到。低倍率图像（图1a）显示了典型的树枝状结构，由初级α-Al树枝晶和树枝晶间的共晶区域组成。在这些共晶区域中，Si相形成了粗大的、相互连接的针状或片状网络。为了解析这种共晶的精细结构和晶体学特性，进行了EBSD分析。

微观结构演变机制：从凝固到球化

本研究中观察到的微观结构演变源于铸态，这是共晶凝固动力学的直接结果。EBSD分析（图1、图2）证实，铸态Si片具有高密度的Σ3孪晶界面，并表现出一致的生长方向（$110$）和$\{111$生长面。这种晶体学特征与TPRE生长机制一致，该机制控制了...

结论

本研究系统研究了新型两阶段退火工艺对共晶Al-Si合金微观结构和力学性能的影响。主要结论如下：

• (1)
  开发了一种有效的两阶段退火工艺（550°C/4小时 + 450°C/4小时），该工艺将硅的球化过程与粗化过程动态分离，产生了细小、高度球形的颗粒优化微观结构，显著提高了...

作者贡献声明

马永义：研究工作。 陈晨：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。 庞勇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。 罗丽梅：资源获取，资金申请。 王松：撰写 – 审稿与编辑。 王军：撰写 – 审稿与编辑。 龚浩：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源协调。 陈勇：撰写 – 审稿与编辑，研究工作，数据管理。 黄宏斌：撰写 – 原稿，研究工作，形式分析，数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中央高校基本科研业务费（PA2025GDGP0025、PA2024GDGP0042）、国家精密制造重点实验室开放研究基金（中南大学Kfkt2024-09）以及安徽省大学协同创新计划（GXXT-2023-028）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们与本研究不存在任何利益冲突。我们声明没有任何商业或关联利益可能影响...