Mn/Sb微合金化对A357铝合金微观结构、沉淀动力学以及室温/高温力学性能的影响

《Materials Science and Engineering: A》：Effects of Mn/Sb Microalloying on the Microstructure, Precipitation Kinetics, and Room-/Elevated-Temperature Mechanical Properties of A357 Aluminum Alloy

　　

作者：崔展、黄云龙、廖恒成、潘希辉、郭慧婷、吴凡

单位：东南大学材料科学与工程学院，江苏省先进金属材料重点实验室，南京，211189，中国

摘要

本研究探讨了单独添加或同时添加少量Mn（0.3wt%）和Sb（0.02wt%）对A357（Al-7Si-0.6Mg）合金微观结构、沉淀动力学和力学性能的影响。通过砂型铸造制备了A0（A357）、A1（A357+Mn）、A2（A357+Sb）和A3（A357+Mn+Sb）合金的标准拉伸试样，并对其进行了T4、T6热处理及短时热暴露（STHE）处理。利用SEM、TEM-SAED、元素分析和DSC等技术系统地研究了微观结构演变和时效沉淀行为，以阐明这些因素对室温及高温力学性能的影响。固溶处理后，Mn的添加导致基体中析出大量纳米级的α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂分散体（使屈服强度提高了25MPa），而Sb的添加促进了Mg₂Si相的溶解（使屈服强度提高了28MPa）。两者共同添加时，屈服强度的提高更为显著，达到了41MPa。在T6状态下，Mn和Sb的联合添加表现出明显的协同强化效应：Mn+Sb的联合添加使屈服强度提高了41MPa，远高于单独添加Mn（16MPa）或Sb（10MPa）的效果。STHE处理后，Mn的添加提高了200°C和250°C下的高温强度，而Sb仅在250°C下表现出明显的强化效果。Mn/Sb的联合微合金化在200°C和250°C下对屈服强度产生了协同和叠加强化作用。动力学分析表明，Mn抑制了β′′、β′和β相的沉淀，而Sb促进了β′′相的沉淀但抑制了β′相的形成；Mn和Sb的联合添加进一步抑制了这两种相的沉淀，这种强烈的抑制作用归因于它们对微观结构的协同调控：联合添加细化了沉淀物尺寸并增加了其数量密度，同时引入了热稳定的α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂分散体。这些发现为通过微合金化设计耐热Al-Si-Mg合金提供了新的策略。

引言

由于Al-Si-Mg合金具有优异的铸造性能和耐腐蚀性以及中等强度，作为一种重要的可热处理铝合金，已被广泛应用于汽车、航空航天、轨道交通等领域。然而，随着现代工业对结构部件性能要求的提高，传统Al-Si-Mg合金的力学性能，尤其是在高温下的性能，已难以满足使用需求[1]、[2]、[3]。A357（Al-7Si-0.6Mg）是该系列中的典型合金。其较高的Mg含量（相比常见的A357（Al-7Si-0.3Mg）提高了强度，但代价是降低了延展性[4]、[5]。这些合金的强化主要源于固溶处理和时效处理过程中的纳米级沉淀。沉淀顺序通常为：过饱和固溶体（SSS）→溶质团簇→GP区→β″→β′→β-Mg₂Si[6]、[7]、[8]。其中，与基体完全共格的β″相通常呈针状，具有最强的强化效果。然而，当工作温度超过200°C时，这种主导强化相会显著粗化，并依次转变为β′和β-Mg₂Si，导致强度迅速下降[9]、[10]。这种高温下的不稳定性严重限制了A357铝合金在高温部件（如发动机活塞和气缸盖）中的应用。Mn微合金化在提高高温性能方面具有双重优势。廖等人[11]观察到，Mn在固溶处理过程中促进了热稳定的α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂和T-Al₂₀Cu₂Mn₃分散体的沉淀，有效阻碍了位错的运动并提高了高温强度。李等人[12]表明，Mn对Al-12Si-4Cu-2Mn合金中α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂相的形成有促进作用，显著提高了高温强度。此外，Mn还能将有害的针状β-Al₅FeSi相转变为危害较小的α-Fe相（Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂），减少了裂纹的产生，从而提高了耐热性[13]。这些特性使Mn成为提高Al-Si-Mg合金高温性能的有希望的候选元素。

Sb微合金化通过其与空位的独特相互作用提供了额外的优势。第一性原理计算表明，Sb在α-Al固溶体中具有最高的空位结合能之一[14]、[15]、[16]。这种强结合能力使Sb能够有效固定空位，从而抑制高温下沉淀颗粒的扩散过程和粗化[17]。此外，Sb还被证明是一种高效且持久的共晶Si改性剂，可在不引入Sr相关环境问题的情况下提高延展性[18]、[19]。最近李等人在Al-Cu合金中的研究[17]揭示了Mn和Sb联合使用的协同效应：Sb促进了强化沉淀物的形核，而Mn抑制了它们的粗化，从而提高了高温强度。因此，Mn/Sb微合金化被认为是提高铝合金高温性能的潜在方法。然而，这种协同机制在Al-Si-Mg合金中尚未得到系统研究。

章节片段

方法

A357基合金及其微合金化变体（分别添加了0.3% Mn和0.02% Sb）由苏州明志科技有限公司通过工业熔炼和砂型铸造制备。熔炼过程包括氩气旋转脱气和用Al-10Sr母合金进行改性。最终将熔融液浇铸到基于ASTM-B26标准的树脂砂制拉伸棒模具中。制备合金的化学成分如表1所示。

力学性能

表2列出了A0、A1、A2和A3合金在铸态、T4和T6状态下的室温力学性能。A1合金通过在基础A357合金中添加0.3% Mn制备，A2合金添加0.02% Sb，A3合金同时添加0.3% Mn和0.02% Sb。

沉淀相的形成活化能

为了定量评估微合金化对沉淀行为的影响，基于DSC结果，使用Johnson-Mehl-Avrami（J-M-A）模型[42]计算了主要相变的形成活化能（Q）。对于非等温转变过程，活化能可通过以下关系式估算[40]：$$' role="presentation">$$

结论

• (1)
  单独添加Mn和Sb后，固溶处理后的屈服强度分别提高了25 MPa和28 MPa，而两者共同添加时屈服强度的提高更为显著，达到了41 MPa。这是因为Mn的添加导致基体中析出大量纳米级的α-Al₁₅Mn₃Si₂分散体，而Sb的添加促进了共晶Mg₂Si相的溶解。
• (2)
  在T6状态下，Mn和Sb的联合添加

CRediT作者贡献声明

崔展：撰写——初稿撰写、实验研究、数据分析。廖恒成：撰写——审稿与编辑、研究指导、方法学设计、资金申请。黄云龙：撰写——初稿撰写、实验研究、数据分析。郭慧婷：方法学设计、实验研究。潘希辉：实验研究、数据分析。吴凡：实验研究、数据分析。

数据可用性

活化能计算的相关数据可应要求提供。其他额外数据暂无。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了苏州明志科技有限公司（项目编号8512008489、8512008591）的合作支持。