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Al-7Si高压压铸合金中Sr和Li改性对硅组织形貌及力学性能的影响研究。摘要：通过系统研究Sr和Li对Al-7Si高压压铸合金微观结构和力学性能的影响，发现添加Li和Sr能显著增加硅相双晶密度和分支，促进粗片状硅向细纤维状结构转变，从而提升合金强度与延展性协同性能。
宋伟胤|郑江|李天娇|刘宇|李文凯|夏丽红|尹东迪|宋江峰|杨岩|姜斌
中国重庆大学镁合金国家工程研究中心，重庆 400044
摘要
改性处理在调控共晶硅的微观结构以及提高Al-Si合金的机械性能方面起着关键作用。本研究系统地探讨了改性元素（特别是Sr和Li）对共晶硅孪晶特性和微观结构的影响，以及这些改性元素对高压压铸Al-7Si合金机械性能的影响。结果表明，添加改性元素（尤其是Li）显著增加了孪晶密度，并促进了孪晶的分支，使得共晶硅从粗糙的片状结构转变为更细小、更均匀的结构。与未经改性的合金相比，经Li改性的和经Sr改性的合金在机械性能上表现出更大的波动性。对于断裂表面上最大孔隙面积占比≤0.2%的样品，改性合金显示出更高的强度和更好的延展性。本文讨论了增强强度-延展性协同效应以及机械响应波动性的机制。
引言
基于Al-Si的合金由于其优异的铸造性能、耐腐蚀性和平衡的机械性能，在汽车和航空航天工业中得到广泛应用[[1], [2], [3]]。然而，由于共晶硅的存在，它们的延展性相对较低，这限制了其更广泛的应用[[4], [5], [6]]。共晶硅通常形成粗糙的片状结构，这会导致应力集中并促进早期开裂，从而降低延展性[7,8]。大量研究表明，添加Na、Sr、Ba和Eu等改性元素可以有效细化共晶硅的结构，使其从粗糙的片状转变为细小的纤维状结构，从而显著提高机械性能[[9], [10], [11]]。孪晶特性（包括孪晶密度和孪晶分支）被认为是控制Al-Si合金中共晶硅微观结构的关键因素[12,13]。多项研究证明，添加改性元素（如Sr、Na、Eu、Ba）可以增加共晶硅中的孪晶密度并促进孪晶分支，从而形成细小的纤维状结构[[14], [15], [16]]。
这种改性的机制包括杂质诱导孪晶（IIT）机制和孪晶面凹陷边缘的毒化（TPRE）机制。IIT机制认为改性元素吸附在{111}Si生长台阶上，诱导孪晶分支[17,18]。TPRE机制提出{111}Si面之间的外角形成了凹陷边缘，这些边缘成为硅生长的有利位置，促进了沿<112>Si方向的快速生长[18]。TPRE机制的毒化作用认为改性元素通过吸附在孪晶面凹陷边缘处阻碍了硅的生长，从而消除了其生长优势[15,19]。大多数关于共晶硅改性机制的研究都集中在重力铸造的Al-Si合金上。相比之下，高压压铸（HPDC）是制造复杂薄壁部件的最有效工艺之一[20,21]。在HPDC过程中，熔融金属在高压下注入钢制模具腔体中，并以非常快的冷却速率凝固[[22], [23], [24]]。然而，改性元素对Al-Si HPDC合金中孪晶特性和共晶硅微观结构的影响尚未得到充分研究。
我们之前的研究表明，经Sr改性的Al-10Si-0.5Mn-0.3Mg HPDC合金的伸长率仅为约6%，需要热处理才能改善其延展性[25]。这凸显了探索更有效改性元素的必要性。有报道称，在Al-Si重力铸造合金中添加Li可以产生细小的纤维状共晶硅[23,26]。此外，经Li改性的Al-7Si重力铸造合金表现出优异的延展性，伸长率可达28.3%[23]。然而，Li的添加如何影响共晶硅的孪晶特性和微观结构尚未完全明确。
本研究探讨了改性元素Sr和Li对Al-7Si HPDC合金微观结构和机械性能的影响，特别关注了未经改性、经Sr改性和经Li改性的合金中共晶硅的孪晶特性和微观结构演变。同时分析了导致改性合金机械性能提升以及机械响应波动性增加的潜在机制。
材料制备
材料制备
本研究制备并研究了三种HPDC合金，分别是Al-7Si、Al-7Si-0.01Sr和Al-7Si-0.1Li。合金的化学成分通过电感耦合等离子体原子发射光谱法确定，如表1所示。合金在碳化硅坩埚中熔化，目标熔化温度为680°C，模具温度保持在230°C。需要注意的是，Li是以Al-5Li母合金的形式加入熔体的。
微观结构
三种合金的X射线衍射（XRD）结果如图0(d)所示。所有衍射峰都可以归因于两种相，即α-Al基体和共晶Si，未检测到与AlSiFeMn相对应的衍射峰。三种合金的光学显微照片显示了典型的梯度微观结构，由两层表皮和一层核心组成，如图0(a–c)所示。表皮区域主要由细小的等轴晶粒组成，而核心区域
孪晶特性对共晶硅微观结构的影响
孪晶特性（特别是孪晶密度和孪晶分支）在控制共晶硅的微观结构中起着关键作用[23,[27], [28], [29]]。添加某些改性元素（如Na、Sr、Ba和Eu）可以增加孪晶密度并促进孪晶分支，从而有利于分支共晶硅的形成[19,[30], [31], [32]]。相比之下，一些合金元素（如Ca、Y和Yb）对孪晶的影响较小
结论
本研究系统地探讨了改性元素（特别是Sr和Li）对Al-7Si HPDC合金微观结构和机械性能的影响。主要结论如下：
(1).所有三种合金（未经改性的、经Sr改性的和经Li改性的Al-7Si）都表现出由表皮和核心组成的梯度微观结构。表皮主要由细小的等轴晶粒组成，而核心则具有双峰结构，其中嵌入了ESC（孪晶边界）。
CRediT作者贡献声明
宋伟胤：撰写 – 原稿撰写、可视化处理、验证、方法论设计、实验研究、数据分析。 郑江：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资源协调、资金获取、数据分析。 李天娇：撰写 – 审稿与编辑。 刘宇：数据管理。 李文凯：撰写 – 审稿与编辑。 夏丽红：撰写 – 审稿与编辑。 尹东迪：撰写 – 审稿与编辑。 宋江峰：撰写 –
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的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：52571127）、山东省重点研发计划（编号：2025CXGCO10412）、重庆市自然科学基金（编号：CSTB2025NSCQ-GPX0715）、重庆市海外归国人员创业与创新支持计划（编号：cx2023090）、教育部“111”项目（编号：B16007）以及重庆市教育科技研究计划的财政支持。
