【引用格式】
路通，邱楚，張躍波，等. Ni、Zr對Al-Si-Cu-Mg合金組織與高溫力學性能的影響［J］. 特種鑄造及有色合金，2024，44（3）：419-423.
Citation:LU T，QIU C，ZHANG Y B， et al. Effects of Ni and Zr on microstructure and high temperature mechanical properties of Al-Si-Cu-Mg alloy［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys，2024，44（3）：419-423.
Al-Si系鑄造鋁合金因具有高比強度、優異的熱穩定性、良好的流動性與較低的熱膨脹系數，在汽車發動機活塞、缸體、缸蓋等零部件中得到廣泛的應用。近年來，随着廢氣排放法規越來越嚴格，作為發動機的關鍵零件，活塞的工作負荷也随着發動機向高熱效率、低排放、輕量化方向發展，要求其所承受的爆壓可達20 MPa、服役溫度接近350 ℃。為了使合金能适應這種高溫的工作環境，化學成分不斷調整，以進一步提高合金的高溫性能。一般而言，Al-Si合金活塞的力學性能與合金成分、第二相的類型、形态分布及加工參數有直接的關系。
在Al-Si合金中添加部分合金元素，有助于形成多種複雜的金屬間化合物，其中Al3Ni、Al3Zr、Al3CuNi、Al7Cu4Ni及AlSiNiZr相由于具有較好的熱穩定性，對Al-Si合金高溫性能的提升有較大的貢獻。Ni與Zr被認為是改善Al-Si合金高溫性能較有效的元素，而T-Al9FeNi相由于其不規則的形貌和分布，并不能很好地改善合金的高溫性能。在過去的幾十年裡，許多關于Al-Si活塞合金的研究都是圍繞金屬間化合物相的類型、形貌及尺寸開展的，特别是含Ni相與含Zr相。陳今龍等研究Ni對Al-Si-Cu-Ni-Mg過共晶活塞合金組織和力學性能的影響，發現随着Ni含量從0.2%增加至2%，合金中依次出現了條狀的Al7Cu4Ni、漢字狀的Al3CuNi及粗大網格狀或漢字狀的Al3Ni相，同時200 ℃與300 ℃下的高溫強度逐漸上升，伸長率逐漸下降。YANG Y等研究了Al-Si-Cu-Ni合金中富Ni相的形态變化，發現随着Cu含量增加，條狀Al3Ni相逐漸減少，Al7Cu4Ni相和Al3CuNi相逐漸增加，同時形貌複雜的Al7Cu4Ni相和Al3CuNi相在高溫條件下可将壓力傳遞至鋁合金基體中，更有利于保證合金在高溫條件下力學性能的穩定性。任榮研究了Zr對過共晶Al-Si活塞合金組織和性能的影響，發現當加入0.2%的Zr後，粗大的含Fe相由塊狀向短棒狀或顆粒狀演變，同時促使Al3CuNi相向細小的短棒狀轉變，合金的高溫抗拉強度得到顯著提高。
許多含Ni相與含Zr相合金的實體及力學性能已經得到驗證，同時依托這些實體性能開發出了一些性能優異的Al-Si合金。然而，針對Al3Ni、Al3Zr、Al3CuNi、AlSiNiZr及Al7Cu4Ni耐熱相對合金高溫性能的不同貢獻的報道很少，且該問題的深入研究對Al-Si合金成分和鑄造工藝的設計具有積極意義。
中鋁材料應用研究院有限公司研究團隊在2024年第44卷第3期《特種鑄造及有色合金》期刊上發表了題為“Ni、Zr對Al-Si-Cu-Mg合金組織與高溫力學性能的影響”的文章，作者利用金屬型鑄造開展了Al-Si-Cu-Mg過共晶活塞合金的制備，通過Thermo-Calc軟體對不同合金中耐熱相的體積分數進行計算，結合掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）對合金的組織進行定量金相分析，同時對合金在350 ℃下的力學性能進行測試，研究了不同Ni和Zr含量對鑄造Al-Si-Cu-Mg基過共晶活塞合金顯微組織和力學性能的影響，分析了金屬間化合物形貌和面積分數與力學性能的對應關系。結果表明，随着Ni含量增加，Al-12.5Si-4.0Cu-1.0Mg合金在350 ℃下的抗拉強度和屈服強度逐漸增加，伸長率逐漸降低，組織中的Al3Ni和Al3CuNi相的數量增多，并且形貌由針狀和棒狀逐漸演變成塊狀和團簇狀，耐熱相面積分數也有明顯增加；随着Zr含量增加，Al-12.5Si-4Cu-1.0Mg-1.5Ni合金的抗拉強度和屈服強度先降低後升高，伸長率逐漸增大，組織中的AlSiNiZr相數量逐漸增多，并且耐熱相面積分數逐漸增大。Al3Zr沿着鋁基體［001］軸析出，并且與鋁基體共格，形成高溫強化相，通過強化鋁基體提高了合金的高溫強度。
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【研究方法】
試驗合金化學成分見表1，采用99.7%（品質分數，下同）的工業純鋁、99.7%的純鎂、Al-20Si、Al-50Cu、Al-10Ti、Al-10Mn、Al-10Ni、Al-10Zr、Al-4.5P和Al-1Ca中間合金為原料，在坩埚熔煉爐中進行熔煉。熔煉溫度為780 ℃，待工業純鋁熔化後，依次加入Al-20Si、Al-50Cu、Al-10Ni、Al-10Ti和Al-10Mn中間合金，攪拌3~5 min，然後進行扒渣；待鋁液降溫至740 ℃後，将鋁箔包好的純Mg、Al-10Zr合金加入。合金熔化後，加入品質分數為0.10%~0.25%的精煉劑（主要成分為NaCl、KCl、KAlF4）進行精煉，随後加入Al-4.5P和Al-1Ca中間合金（P和Ca含量為0.01%），同時通入Ar氣進行除氣，最後将鋁液表面的浮渣清除幹淨并靜置10 min後，将鋁液倒入預熱至200 ℃的Y型模具中，然後對Y型試樣進行T6熱處理，即在490 ℃下固溶處理3 h後水淬，然後在200 ℃下時效8 h後冷卻至室溫，進而通過線切割得到拉伸試樣與顯微組織分析試樣。
拉伸試樣的取樣位置與試樣的具體尺寸見圖1。采用（Instron 5967）電子式拉伸試驗機開展拉伸性能測試，首先用1200目的水砂紙打磨至試樣表面光滑，以去除線切割的表面張力。開展拉伸性能測試前，試樣需在350 ℃保溫30 min，拉伸速率為0.05 mm/min。用線切割在Y型模具底部切取10 mm×10 mm×10 mm的矩形試樣，首先在150目的水砂紙上進行粗磨，再依次進行800、1500、2000目的細磨後，在抛光機上進行抛光，制備好的金相試樣利用FEI Apreo C熱場發射掃描電鏡進行顯微組織表征；另外在矩形試樣上切取厚度為0.5 mm的薄片，利用砂紙将試樣磨至100 μm，用PM300沖孔機将試樣沖制成ϕ3 mm的薄片，然後用TENUPOL-5型雙噴電解減薄儀進行減薄，減薄液成分（體積分數）為6% HClO4、34% CH3CH2CH2CH2OH及60%CH3OH，減薄電壓為25 V，溫度為-20 ℃。最後采用JEM 2100場發射透射電鏡觀察減薄後試樣的微觀組織形貌。
圖1 取樣位置示意圖與高溫拉伸試樣尺寸
【研究結果】
Al-12.5Si-4.0Cu-1.0Mg-3Ni合金中的耐熱相為Al3Ni、Al3CuNi及Al7Cu4Ni相，其體積分數分别為3.29%、7.16%和6.11%，耐熱相的體積分數為16.56%。Al-12.5Si-4.0Cu-1.0Mg-1.5Ni合金中的耐熱相也為Al3Ni、Al3CuNi及Al7Cu4Ni相，其體積分數分别為2.79%、0.95%和6.06%，耐熱相的體積分數為9.80%。據相關研究，體積分數降低1.6%，合金在350 ℃下的高溫強度将降低6.77 MPa，在兼顧合金的高溫強度和成本的情況下，通過降低Ni含量，控制耐熱相體積分數的總量，在確定高溫強度的同時提高伸長率。
圖2 不同合金中耐熱相體積分數的計算結果
當Ni含量為3%時，組織中析出大量的Al3Ni、Al3CuNi及Al7Cu4Ni相，其中Al3Ni相呈長條狀，Al7Cu4Ni相呈塊狀，而大量長條狀的Al3Ni相存在時，容易引起應力集中，造成合金伸長率下降；當Ni含量降低至1.5%時，耐熱相Al3CuNi、塊狀的Al7Cu4Ni及長條狀Al3Ni相均存在，但是數量有所減少。這表明随着Ni含量降低，合金中相種類與相的含量并沒有明顯的改變，但是大量長條狀的Al3Ni相數量明顯減少。
圖3 不同合金成分的顯微組織
随着Ni含量增加，合金中的Al3Ni和Al3CuNi相的數量增多，其中Al3Ni相由棒狀逐漸演化為棒狀和長條狀，Al3CuNi相由細條狀逐漸演化為棒狀和團簇狀。随着Ni含量由1.0%增加至3.0%，耐熱相面積分數也由11.43%增加至26.28%。一般而言，活塞合金在高溫下的力學性能與耐熱相的面積分數有直接的關系，随着耐熱相的面積分數增加，抗拉強度和屈服強度逐漸增加，但是伸長率呈降低的趨勢。與室溫性能不同，合金在高溫時強度的提高主要是通過抑制晶界遷移，而在晶界處呈封閉狀的Al3CuNi相能更好地拖拽晶界，阻礙晶界發生遷移，是以高溫強化效果較好；而在晶界處呈塊狀分布的Al7Cu4Ni對晶界的拖拽較差，強化效果也較弱。是以，通過提高耐熱相面積分數，特别是Al3CuNi的比例，可有效提高合金的高溫力學性能。
通過分析可知，Ni含量對力學性能有明顯的影響，随着Ni含量增加，合金在高溫下的抗拉強度逐漸增大，但是伸長率逐漸降低，當Ni含量為1.5%時，合金組織中的主要耐熱相為Al3Ni、Al3CuNi及Al7Cu4Ni相，合金的綜合性能較好，是以選擇綜合性能較好的A2合金開展Zr含量對合金顯微組織的影響的分析。當Zr含量為0.2%時，合金中出現了AlSiNiZr第二相，形貌為短棒狀；随着Zr含量增加至0.4%時，合金中的AlSiNiZr相數量逐漸增多。AlSiNiZr相具有熔點高和高溫下顯微硬度高的特點，并且在鋁基體中的固溶度随溫度變化較小，在合金中具有較高的熱穩定性，有利于高溫時釘紮晶界，抑制晶界的遷移，提高合金的高溫性能。同時Zr在熱處理過程中形成Al3Zr彌散相，Al3Zr尺寸細小并且在晶界處彌散分布，可在高溫下阻礙位錯攀移和釘紮晶界滑動，對提高高溫性能也有較大幫助。
圖4 不同Zr含量下合金的顯微組織
Al3Zr沿着鋁基體［001］軸析出，并且與鋁基體共格，呈L12結構，而Al3Zr呈近似球形顆粒均勻分布于鋁基體中。是以可知，在固溶過程中Al3Zr從基體中析出形成高溫強化相，釘紮晶界，提高合金的高溫強度，同時Zr形成晶内和晶間耐熱相彌補Ni含量降低導緻的高溫力學性能下降。
圖5 Al-12.5Si-4Cu-1.0Mg-1.5Ni-0.4Zr合金TEM分析結果
随着Ni含量由1.0%增加至3.0%，合金在350 ℃下的抗拉強度由92 MPa增加至128 MPa，屈服強度由73 MPa增加至102 MPa，但是伸長率由4.0%降低至2.0%。由力學性能分析可知，當添加0.2%的Zr時，合金的抗拉強度和屈服強度有所降低，伸長率由4.0%提高至4.9%。有研究表明，Zr與Ti的細化作用不可相容，Zr的存在會與熔體中的Ti發生反應形成新的中間相，使得Zr失去抑制晶粒生長的作用，進而出現毒化，導緻Al-Ti合金的細化作用減弱，無法充分發揮細化作用。是以，當添加0.2%的Zr時，可能由于Zr與Ti的毒化作用，導緻晶粒細化作用減弱，進而導緻抗拉強度與屈服強度有所降低。對于伸長率由4.0%提高至4.9%，主要是由于Zr可通過改變Si相及其他一些中間相形貌，進而消除脆性效應進而提高合金的塑性。當Zr含量增至0.4%時，因Zr與Ti的毒化作用減弱，同時AlSiNiZr化合物的形成，抗拉強度提高至112 MPa，伸長率提高至5.1%，綜合性能最佳。
【研究結論】
（1）随着Ni含量增加，350 ℃下Al-12.5Si-4.0Cu-1.0Mg合金的抗拉強度和屈服強度逐漸增加，伸長率逐漸減小；随着Zr含量增加，Al-12.5Si-4Cu-1.0Mg-1.5Ni合金的抗拉強度和屈服強度先降低後升高，伸長率逐漸增大。
（2）随着Ni含量由1.0%增至3.0%，Al-12.5Si-4.0Cu-1.0Mg合金中的Al3Ni和Al3CuNi相的數量增多，其中Al3Ni相由棒狀逐漸演化為棒狀和條狀，Al3CuNi相由細條狀逐漸演化為棒狀和團簇狀。同時耐熱相面積分數也由11.43%增加至26.28%，表明合金的力學性能與第二相形貌和耐熱相面積分數相關。随着Zr含量由0.2%增加至0.4%，Al-12.5Si-4Cu-1.0Mg-1.5Ni合金中的AlSiNiZr相數量逐漸增多。
（3）通過TEM分析可知，固溶過程中Al3Zr從基體中析出形成高溫強化相，強化鋁基體，提高了合金的高溫強度，同時Zr形成晶内和晶間耐熱相彌補因Ni含量降低導緻的高溫力學性能下降，確定了合金優異的綜合性能。