原标题：华中科技大学：固溶处理对耐热Al-Si合金组织及力学性能的影响

过共晶Al-Si合金因具有低膨胀、高强度等特点，是制造轻量化发动机活塞的理想材料。由于发动机活塞直接承受缸内燃气的高温冲击，因此对铝合金材料强度要求较高，尤其是300 ℃下的高温强度。针对过共晶Al-Si合金的高温强度有很多研究，包括合金化、快速凝固、挤压铸造及热处理等工艺。其中，热处理在改善合金微观组织与提高合金性能的手段使用广泛。对于添加Cu、Mg等元素的Al-Si合金，通常可以用T6热处理（即固溶处理+人工时效）来提高合金强度。固溶处理的目的在于将尽可能多的可溶元素固溶入铝基体里，从而在时效过程中能尽可能多地析出强化作用显著的纳米相。此外，一些难溶相也会发生圆整化和细化。因此，固溶工艺的合理性直接影响合金最终的力学性能。

通常，在单步固溶处理中，固溶温度太高会使得合金组织中的Al2Cu和Al4Cu2Mg8Si7等低熔点化合物直接熔化，发生过烧现象，降低合金的力学性能。但是固溶温度太低又会使得固溶时间过长，导致固溶效果并不明显的同时大大降低效率。双步固溶处理是在较低温度下对合金进行第一步固溶处理，然后在更高的温度下对合金进行第二步固溶处理。第一步的目的是使熔点较低的化合物优先溶入合金基体里，防止因为第二步固溶处理时温度过高而导致其过烧，第二步的目的是使其余的高熔点化合物尽可能溶入合金基体中，使合金固溶处理效果更好。因此，相比于长时间的单步固溶处理，双步固溶时效处理更适合合金成分较复杂的过共晶Al-Si合金，可以对合金组织中各种多元化合物产生较好的热处理效果，使得合金力学性能更理想。

本研究针对过共晶Al-Si-Cu-Ni-Mg-Mn-RE合金（简称AS14合金）开展不同固溶制度对合金微观组织及力学性能（常温、高温）影响的研究，并通过双步固溶制度来提升合金的力学性能、缩短热处理时间，以期为过共晶Al-Si合金的应用提供参考。

图文结果

过共晶Al-Si合金名义成分为Al-14Si-3Cu-1Ni-0.5Mg-0.5Mn-0.3RE （质量分数，%，下同），实际成分见表1。使用SG2-7.5-10电阻炉将纯Al（99.5%）、Al-20Si中间合金熔化后，升温至830~850 ℃加入高熔点的纯Cu和纯Ni，并用渣勺充分搅拌熔体，待坩埚底部无固体颗粒后，降温至750~780 ℃依次加入Al-10Mn中间合金、Al-10RE中间合金（La和Ce各5%）和纯镁，完全熔化后在750 ℃下保温至少20 min保证熔体成分均匀。降温至720~730 ℃，在熔体中通入氩气精炼熔体。Cu-14P变质剂在精炼完成后30 min加入熔体中，P的加入量为熔体质量的0.06%。将变质后的合金熔体浇入金属型重力铸造模具，切除浇道、浇口和冒口后，机加工后得到拉伸性能测试试样。图1为模具和拉伸试样示意图。

固溶处理分为单步固溶和双步固溶，对单步固溶的温度进行优化，且对比单步固溶和双步固溶对T6态AS14合金的组织和性能的影响。图2为AS14合金在铸态下的DSC曲线和热处理工艺曲线。从图2a可以看出，在510 ℃左右开始出现吸热现象，对应合金组织中的低熔点Al2Cu相开始熔化。为了防止低熔点相熔化，固溶温度一般不高于最低熔点相的共晶温度，且为了保证不会因为温度波动导致过烧，单级固溶温度最低设定为500 ℃。合金组织中的高熔点相在525 ℃左右开始出现吸热现象，峰值为535 ℃左右，该峰对应为AlCuNi相的共晶温度。最高峰的峰值温度为579 ℃，对应为Al-Si共晶反应的温度。

表1 AS14合金的实际成分(%)

图1 模具与拉伸试样示意图

图2 AS14合金的DSC曲线和热处理工艺曲线

图3是固溶温度为500、510和520 ℃的T6态AS14合金的XRD图谱。可以看出，随着固溶温度的改变，合金中各种析出相的衍射峰的强度和角度没有明显的变化。这表明改变单步固溶温度对合金组织中的各种相的组成不会造成明显的影响。

图4为不同固溶温度的T6态AS14合金试样的显微组织。从图4a可明显看出，组织中的共晶Si大部分都呈现针片状，初生Si边缘呈现出尖锐的棱角，这表明合金的固溶处理温度偏低，组织中的第二相固溶不充分，Si相形态没有发生明显变化。在图4b中可以明显看出组织中的共晶Si大部分都为近球状或颗粒状，初生Si边缘也出现了钝化，这说明组织中的共晶Si已经达到了较好的固溶效果，而在图4c中可以明显看出组织中的共晶Si基本全部都为近球状或颗粒状，初生Si边缘钝化现象更显著，但初生Si和共晶Si尺寸较大，不利于合金的力学性能，这表明固溶处理温度过高，合金中的Si相粗化严重。

图6为经不同单步固溶处理后T6态AS14合金的力学性能。可以看出，随着合金的固溶处理温度升高，合金的室温抗拉强度、高温抗拉强度和室温伸长率都呈现出先升高后降低的趋势。这是因为，随着固溶处理温度升高，合金的固溶处理效果逐渐增强，合金组织中的初生Si边缘逐渐钝化，共晶Si发生熔断，细化为颗粒状或近球状。合金组织中的金属化合物也逐渐碎化为小块状或者颗粒状，这都可以提升合金的力学性能。但当固溶处理温度过高时，合金组织中的初生Si和共晶Si都会发生严重的粗化现象，合金组织中晶界处的低熔点化合物会熔化，甚至发生过烧现象，使合金的力学性能大幅下降。

图6为经不同单步固溶处理后T6态AS14合金的力学性能。可以看出，随着合金的固溶处理温度升高，合金的室温抗拉强度、高温抗拉强度和室温伸长率都呈现出先升高后降低的趋势。

图3 经不同单步固溶处理后T6态AS14合金的XRD图谱

图4 经不同单步固溶处理后T6态AS14合金的金相组织

图5 经不同单步固溶处理后T6态AS14合金SEM照片

图6 经不同单步固溶处理后T6态AS14合金的力学性能

图7为不同双步固溶处理工艺AS14合金的XRD图谱。可以看出，单步固溶处理和双步固溶处理的合金中各种相和金属间化合物的衍射峰的强度和角度没有明显的变化。这表明改变固溶处理工艺对合金相组成影响不明显。

图8为双步固溶时效处理（固溶处理为500 ℃×2 h+515 ℃×3 h，时效处理为190 ℃×10 h）的AS14合金试样的显微组织。可以看出，相比于单步固溶处理，双步固溶处理后，合金显微组织中初生Si的边缘钝化现象更为明显，更多的共晶Si相熔断为近球状或颗粒状，固溶处理效果更佳。这是因为双步固溶处理的第二步固溶温度更高，使初生Si边缘更容易发生钝化，共晶Si更快熔断且细化更加充分。相比于单步固溶处理，双步固溶处理的合金组织中的初生Si和共晶Si的尺寸更小，这是由于双步固溶处理工艺缩短了合金在高温下的暴露时间，避免了Si相的过分长大，不但可以节省成本，还可以抑制粗化的Si相对合金性能的削弱。

图9为经双步固溶处理后AS14合金的力学性能。可以看出，相较于单步固溶时效处理（固溶处理为510 ℃×7 h，时效处理为190 ℃×10 h），双步固溶时效处理（固溶处理为500 ℃×2 h+515 ℃×3 h，时效处理为190 ℃×10 h）后合金的力学性能都有小幅度提升。这是因为，双步固溶时效处理后的合金组织中Si相的尺寸更小，初生Si的边缘钝化效果和共晶Si相溶断细化效果都更好，合金组织中的低熔点相先溶入合金基体中，熔化更少，高熔点相溶入合金基体更加充分。这些Si相、低熔点相和高熔点相经过热处理之后，分布更均匀，形貌更加规则，且尺寸得到细化，成为合金组织中的强化相，对合金的力学性能有提升作用。但是由于合金元素在合金基体中的固溶度有限，高熔点的复杂多元化合物（AlSiMnFe相等）中的合金元素也没有在二级固溶时融入合金基体中，因此限制了双步固溶处理工艺对合金性能的改善，合金的力学性能提升幅度不大。

图7 不同双步固溶制度下T6态AS14合金的XRD图谱

图8 双步固溶工艺下T6态AS14合金的显微组织

图9 经单步或双步固溶处理后T6态AS14合金的力学性能

结论

（1）新型耐热AS14铝合金单步固溶时效处理时，随着固溶温度升高，初生Si边缘逐渐发生钝化，共晶Si逐渐熔断为近球状或颗粒状，金属化合物也逐渐碎化成小块状或颗粒状，但合金组织中Si相逐渐发生了粗化，尺寸增大。

（2）单步固溶时效处理时，随着固溶温度从500 ℃提高520 ℃，AS14合金的力学性能先上升而后降低，当固溶温度为510 ℃时，合金的室温抗拉强度、高温抗拉强度和室温伸长率均为最佳，为354.3 MPa、185.2 MPa和2.1%。因此，该合金最合适的单步固溶处理温度为510 ℃。相比于单步固溶时效处理工艺，双步固溶时效处理后，合金中Si相尺寸更小，形状更规则，且合金组织中的金属化合物碎化更明显。AS14合金的室温抗拉强度、高温抗拉强度和伸长率也都略有提升，分别为364.7 MPa、189.6 MPa和2.2%。

《固溶处理对耐热 Al-Si合金组织及力学性能的影响》

李世龙1,2 李建宇2 吕书林2
张耀华2 赵健全1 吴树森2

1.华中科技大学分析测试中心；2.华中科技大学材料科学与工程学院，材料成形与模具技术全国重点实验室

本文转载自：《特种铸造及有色合金》杂志社