昆明理工《MC》：原位TiB2颗粒增强增塑半固态流变过共晶Al-Si合金

Al-Si合金因其优良的铸造和机械性能被广泛用于汽车零部件轻量化制造领域。Al-Si体系中Si的含量超过12%，被称为过共晶Al-Si合金，表现出优异的耐磨性、热膨胀系数低，耐热性好等特点。在常规铸造条件下，过共晶Al-Si合金的凝固温度范围随着Si含量的增加而增加。在铸件中通常会观察到缩孔和其他缺陷。同时，粗大的初生硅颗粒以八面体晶体或双平面对称的形式生长。由于不同方向的生长速度不匹配，在初生Si颗粒中会形成“漏斗状空洞”和裂纹等缺陷。因此，传统过共晶Al-Si合金中粗大的初生Si相和共晶Si相在使用过程中容易断裂，不利于其力学性能。

在此，来自昆明理工大学李璐教授课题组开发了一种在原位TiB2颗粒的作用下增强半固态流变过共晶Al-Si合金的强度和延展性的方法，该方法在很大程度上提高了过共晶Al-Si合金的强度和延展性。相关论文以题目为“Enhanced combination of strength and ductility in the semi-solid rheocast hypereutectic Al–Si alloy with the effect of in-situ TiB2 particles”发表在Materials Characterization上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matchar.2021.111143

图1 半固态挤压铸造Al-17Si合金和6TiB2/Al-17Si复合材料的EBSD：(a)Al-17Si合金的IPF；(b)6TiB2/Al-17Si复合材料的IPF；(c)Al-17Si合金的晶粒尺寸分布；(d)6TiB2/Al-17Si复合材料的晶粒尺寸分布。

图2 EBSD图显示了半固态挤压铸造Al-17Si合金和6TiB2/Al-17Si复合材料的晶界

图3 TiB2/Al界面TEM测试与表征

Fig.4 TiB2/Si界面TEM测试与表征

图5(a-c)Al-17Si合金和(d-e)6TiB2/Al-17Si复合材料的断裂机理模型。

综上所述，本研究旨在解决与普通工业过共晶铝合金相关的低强度和高脆性问题。我们在此研究中，添加TiB2颗粒(TiB2p)不仅提高了流变铸型过共晶Al-17Si合金的强度，而且对其延展性产生了积极影响。随着TiB2p的含量达到6 wt%，复合材料的强度和延展性分别提高了63.4%和62%（本研究中UTS=283.3 MPa，EL=1.62%）。EBSD结果表明，低角度和高角度晶界的密度随着TiB2p含量的增加而增加。TiB2p/Si和TiB2p/Al的界面通过TEM、HRTEM和原子结构模型模拟进行了研究。开发了一个解决位错倍增、裂纹萌生和扩展的模型，以详细阐述TiB2p/Al-17Si复合材料的强度-延展性协同机制。重点谈论了对强化机制的理解以及不同机制对实验材料机械性能的贡献。

项目得到国家自然科学基金（52065032）、云南省应用基础研究（202101AT070123）以及金属先进凝固成形及装备技术国家地方联合技术中心的支持。