【引用格式】
路通，邱楚，张跃波，等. Ni、Zr对Al-Si-Cu-Mg合金组织与高温力学性能的影响［J］. 特种铸造及有色合金，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系铸造铝合金因具有高比强度、优异的热稳定性、良好的流动性与较低的热膨胀系数，在汽车发动机活塞、缸体、缸盖等零部件中得到广泛的应用。近年来，随着废气排放法规越来越严格，作为发动机的关键零件，活塞的工作负荷也随着发动机向高热效率、低排放、轻量化方向发展，要求其所承受的爆压可达20 MPa、服役温度接近350 ℃。为了使合金能适应这种高温的工作环境，化学成分不断调整，以进一步提高合金的高温性能。一般而言，Al-Si合金活塞的力学性能与合金成分、第二相的类型、形态分布及加工参数有直接的关系。
在Al-Si合金中添加部分合金元素，有助于形成多种复杂的金属间化合物，其中Al3Ni、Al3Zr、Al3CuNi、Al7Cu4Ni及AlSiNiZr相由于具有较好的热稳定性，对Al-Si合金高温性能的提升有较大的贡献。Ni与Zr被认为是改善Al-Si合金高温性能较有效的元素，而T-Al9FeNi相由于其不规则的形貌和分布，并不能很好地改善合金的高温性能。在过去的几十年里，许多关于Al-Si活塞合金的研究都是围绕金属间化合物相的类型、形貌及尺寸开展的，特别是含Ni相与含Zr相。陈今龙等研究Ni对Al-Si-Cu-Ni-Mg过共晶活塞合金组织和力学性能的影响，发现随着Ni含量从0.2%增加至2%，合金中依次出现了条状的Al7Cu4Ni、汉字状的Al3CuNi及粗大网格状或汉字状的Al3Ni相，同时200 ℃与300 ℃下的高温强度逐渐上升，伸长率逐渐下降。YANG Y等研究了Al-Si-Cu-Ni合金中富Ni相的形态变化，发现随着Cu含量增加，条状Al3Ni相逐渐减少，Al7Cu4Ni相和Al3CuNi相逐渐增加，同时形貌复杂的Al7Cu4Ni相和Al3CuNi相在高温条件下可将压力传递至铝合金基体中，更有利于保证合金在高温条件下力学性能的稳定性。任荣研究了Zr对过共晶Al-Si活塞合金组织和性能的影响，发现当加入0.2%的Zr后，粗大的含Fe相由块状向短棒状或颗粒状演变，同时促使Al3CuNi相向细小的短棒状转变，合金的高温抗拉强度得到显著提高。
许多含Ni相与含Zr相合金的物理及力学性能已经得到验证，同时依托这些物理性能开发出了一些性能优异的Al-Si合金。然而，针对Al3Ni、Al3Zr、Al3CuNi、AlSiNiZr及Al7Cu4Ni耐热相对合金高温性能的不同贡献的报道很少，且该问题的深入研究对Al-Si合金成分和铸造工艺的设计具有积极意义。
中铝材料应用研究院有限公司研究团队在2024年第44卷第3期《特种铸造及有色合金》期刊上发表了题为“Ni、Zr对Al-Si-Cu-Mg合金组织与高温力学性能的影响”的文章，作者利用金属型铸造开展了Al-Si-Cu-Mg过共晶活塞合金的制备，通过Thermo-Calc软件对不同合金中耐热相的体积分数进行计算，结合扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）对合金的组织进行定量金相分析，同时对合金在350 ℃下的力学性能进行测试，研究了不同Ni和Zr含量对铸造Al-Si-Cu-Mg基过共晶活塞合金显微组织和力学性能的影响，分析了金属间化合物形貌和面积分数与力学性能的对应关系。结果表明，随着Ni含量增加，Al-12.5Si-4.0Cu-1.0Mg合金在350 ℃下的抗拉强度和屈服强度逐渐增加，伸长率逐渐降低，组织中的Al3Ni和Al3CuNi相的数量增多，并且形貌由针状和棒状逐步演变成块状和团簇状，耐热相面积分数也有明显增加；随着Zr含量增加，Al-12.5Si-4Cu-1.0Mg-1.5Ni合金的抗拉强度和屈服强度先降低后升高，伸长率逐渐增大，组织中的AlSiNiZr相数量逐渐增多，并且耐热相面积分数逐渐增大。Al3Zr沿着铝基体［001］轴析出，并且与铝基体共格，形成高温强化相，通过强化铝基体提高了合金的高温强度。
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【研究方法】
试验合金化学成分见表1，采用99.7%（质量分数，下同）的工业纯铝、99.7%的纯镁、Al-20Si、Al-50Cu、Al-10Ti、Al-10Mn、Al-10Ni、Al-10Zr、Al-4.5P和Al-1Ca中间合金为原料，在坩埚熔炼炉中进行熔炼。熔炼温度为780 ℃，待工业纯铝熔化后，依次加入Al-20Si、Al-50Cu、Al-10Ni、Al-10Ti和Al-10Mn中间合金，搅拌3~5 min，然后进行扒渣；待铝液降温至740 ℃后，将铝箔包好的纯Mg、Al-10Zr合金加入。合金熔化后，加入质量分数为0.10%~0.25%的精炼剂（主要成分为NaCl、KCl、KAlF4）进行精炼，随后加入Al-4.5P和Al-1Ca中间合金（P和Ca含量为0.01%），同时通入Ar气进行除气，最后将铝液表面的浮渣清除干净并静置10 min后，将铝液倒入预热至200 ℃的Y型模具中，然后对Y型试样进行T6热处理，即在490 ℃下固溶处理3 h后水淬，然后在200 ℃下时效8 h后冷却至室温，进而通过线切割得到拉伸试样与显微组织分析试样。
拉伸试样的取样位置与试样的具体尺寸见图1。采用（Instron 5967）电子式拉伸试验机开展拉伸性能测试，首先用1200目的水砂纸打磨至试样表面光滑，以去除线切割的表面张力。开展拉伸性能测试前，试样需在350 ℃保温30 min，拉伸速率为0.05 mm/min。用线切割在Y型模具底部切取10 mm×10 mm×10 mm的矩形试样，首先在150目的水砂纸上进行粗磨，再依次进行800、1500、2000目的细磨后，在抛光机上进行抛光，制备好的金相试样利用FEI Apreo C热场发射扫描电镜进行显微组织表征；另外在矩形试样上切取厚度为0.5 mm的薄片，利用砂纸将试样磨至100 μm，用PM300冲孔机将试样冲制成ϕ3 mm的薄片，然后用TENUPOL-5型双喷电解减薄仪进行减薄，减薄液成分（体积分数）为6% HClO4、34% CH3CH2CH2CH2OH及60%CH3OH，减薄电压为25 V，温度为-20 ℃。最后采用JEM 2100场发射透射电镜观察减薄后试样的微观组织形貌。
图1 取样位置示意图与高温拉伸试样尺寸
【研究结果】
Al-12.5Si-4.0Cu-1.0Mg-3Ni合金中的耐热相为Al3Ni、Al3CuNi及Al7Cu4Ni相，其体积分数分别为3.29%、7.16%和6.11%，耐热相的体积分数为16.56%。Al-12.5Si-4.0Cu-1.0Mg-1.5Ni合金中的耐热相也为Al3Ni、Al3CuNi及Al7Cu4Ni相，其体积分数分别为2.79%、0.95%和6.06%，耐热相的体积分数为9.80%。据相关研究，体积分数降低1.6%，合金在350 ℃下的高温强度将降低6.77 MPa，在兼顾合金的高温强度和成本的情况下，通过降低Ni含量，控制耐热相体积分数的总量，在确保高温强度的同时提高伸长率。
图2 不同合金中耐热相体积分数的计算结果
当Ni含量为3%时，组织中析出大量的Al3Ni、Al3CuNi及Al7Cu4Ni相，其中Al3Ni相呈长条状，Al7Cu4Ni相呈块状，而大量长条状的Al3Ni相存在时，容易引起应力集中，造成合金伸长率下降；当Ni含量降低至1.5%时，耐热相Al3CuNi、块状的Al7Cu4Ni及长条状Al3Ni相均存在，但是数量有所减少。这表明随着Ni含量降低，合金中相种类与相的含量并没有明显的改变，但是大量长条状的Al3Ni相数量明显减少。
图3 不同合金成分的显微组织
随着Ni含量增加，合金中的Al3Ni和Al3CuNi相的数量增多，其中Al3Ni相由棒状逐步演化为棒状和长条状，Al3CuNi相由细条状逐步演化为棒状和团簇状。随着Ni含量由1.0%增加至3.0%，耐热相面积分数也由11.43%增加至26.28%。一般而言，活塞合金在高温下的力学性能与耐热相的面积分数有直接的关系，随着耐热相的面积分数增加，抗拉强度和屈服强度逐渐增加，但是伸长率呈降低的趋势。与室温性能不同，合金在高温时强度的提高主要是通过抑制晶界迁移，而在晶界处呈封闭状的Al3CuNi相能更好地拖拽晶界，阻碍晶界发生迁移，因此高温强化效果较好；而在晶界处呈块状分布的Al7Cu4Ni对晶界的拖拽较差，强化效果也较弱。因此，通过提高耐热相面积分数，特别是Al3CuNi的比例，可有效提高合金的高温力学性能。
通过分析可知，Ni含量对力学性能有明显的影响，随着Ni含量增加，合金在高温下的抗拉强度逐渐增大，但是伸长率逐渐降低，当Ni含量为1.5%时，合金组织中的主要耐热相为Al3Ni、Al3CuNi及Al7Cu4Ni相，合金的综合性能较好，因此选择综合性能较好的A2合金开展Zr含量对合金显微组织的影响的分析。当Zr含量为0.2%时，合金中出现了AlSiNiZr第二相，形貌为短棒状；随着Zr含量增加至0.4%时，合金中的AlSiNiZr相数量逐渐增多。AlSiNiZr相具有熔点高和高温下显微硬度高的特点，并且在铝基体中的固溶度随温度变化较小，在合金中具有较高的热稳定性，有利于高温时钉扎晶界，抑制晶界的迁移，提高合金的高温性能。同时Zr在热处理过程中形成Al3Zr弥散相，Al3Zr尺寸细小并且在晶界处弥散分布，可在高温下阻碍位错攀移和钉扎晶界滑动，对提高高温性能也有较大帮助。
图4 不同Zr含量下合金的显微组织
Al3Zr沿着铝基体［001］轴析出，并且与铝基体共格，呈L12结构，而Al3Zr呈近似球形颗粒均匀分布于铝基体中。因此可知，在固溶过程中Al3Zr从基体中析出形成高温强化相，钉扎晶界，提高合金的高温强度，同时Zr形成晶内和晶间耐热相弥补Ni含量降低导致的高温力学性能下降。
图5 Al-12.5Si-4Cu-1.0Mg-1.5Ni-0.4Zr合金TEM分析结果
随着Ni含量由1.0%增加至3.0%，合金在350 ℃下的抗拉强度由92 MPa增加至128 MPa，屈服强度由73 MPa增加至102 MPa，但是伸长率由4.0%降低至2.0%。由力学性能分析可知，当添加0.2%的Zr时，合金的抗拉强度和屈服强度有所降低，伸长率由4.0%提高至4.9%。有研究表明，Zr与Ti的细化作用不可相容，Zr的存在会与熔体中的Ti发生反应形成新的中间相，使得Zr失去抑制晶粒生长的作用，从而出现毒化，导致Al-Ti合金的细化作用减弱，无法充分发挥细化作用。因此，当添加0.2%的Zr时，可能由于Zr与Ti的毒化作用，导致晶粒细化作用减弱，从而导致抗拉强度与屈服强度有所降低。对于伸长率由4.0%提高至4.9%，主要是由于Zr可通过改变Si相及其他一些中间相形貌，从而消除脆性效应进而提高合金的塑性。当Zr含量增至0.4%时，因Zr与Ti的毒化作用减弱，同时AlSiNiZr化合物的形成，抗拉强度提高至112 MPa，伸长率提高至5.1%，综合性能最佳。
【研究结论】
（1）随着Ni含量增加，350 ℃下Al-12.5Si-4.0Cu-1.0Mg合金的抗拉强度和屈服强度逐渐增加，伸长率逐渐减小；随着Zr含量增加，Al-12.5Si-4Cu-1.0Mg-1.5Ni合金的抗拉强度和屈服强度先降低后升高，伸长率逐渐增大。
（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相的数量增多，其中Al3Ni相由棒状逐步演化为棒状和条状，Al3CuNi相由细条状逐步演化为棒状和团簇状。同时耐热相面积分数也由11.43%增加至26.28%，表明合金的力学性能与第二相形貌和耐热相面积分数相关。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相数量逐渐增多。
（3）通过TEM分析可知，固溶过程中Al3Zr从基体中析出形成高温强化相，强化铝基体，提高了合金的高温强度，同时Zr形成晶内和晶间耐热相弥补因Ni含量降低导致的高温力学性能下降，确保了合金优异的综合性能。