研究人员探讨冷却速率对富铁Al-Si合金拉伸性能的影响

据外媒报道，最近一项研究显示，富铁Al-Si合金的力学和热性能，与其中存在的大量富铁相（-Al5FeSi）有关系。这些相不仅使基体分离，而且会产生拉应力，使界面与Al基体不相容。

铝合金非常灵活、坚固、耐用，在航空航天、建筑和汽车工业中应用广泛，使其成为仅次于钢铁的最常见金属合金之一。通过回收废铝产品，可以得到再生铝。在此类制造过程中，所消耗的能量仅为基本铝制造过程的3-5%。

这将带来明显的节能减排优势，是目前超轻复合材料零件领域的研究热点之一。铁被认为是再生铝中最危险的污染物成分，因为铁在铸铝硅合金中的固溶度低，约为0.05 wt. %，在结晶过程中会形成一系列富铁金属间相。在二维显微图像上，β-Al5FeSi呈长针状，在三维空间呈板条结构。

金属间β-Al5FeSi相

相结构的大小和形状，是影响合金性能的最重要因素。针状-Al5FeSi相容易产生拉应力，使基体劈裂，影响铝的力学性能。

此外，铁浓度过高，会严重影响熔体流动性，降低铸件性能。因此，许多研究人员致力于改变-Al5FeSi相的拓扑结构，例如采取引入金属间化合物的方法，如Mn、Nb、Co、Sc和Er等。强化熔体过热度和加热过程，是改善富铁相结构的另一种有效方法。

加入上述成分，仅仅改变了富铁相的形状，而且带来某些技术问题，同时增加了从Al-Si合金中回收二次资源的风险。因此，开发具有高铁浓度的高性能铝硅合金，具有重要意义。

冷却速度会影响合金性能吗?

改变工作温度，是改变微结构拓扑结构的有效途径。由于其具有生物化学均匀性和高固体吸收（solid absorption），熔体快淬（melt spinning）是生物刺激素生产过程中常用的快速结晶方法。

此外还观察到，Al-Si合金的微观结构发展，依赖于冷却速度和Fe浓度。在高压压模铸造过程中，典型模具铸件的冷却速度从1~10K/s到10 K/s–100 K/s。因此，有必要研究快速凝固条件下（冷却速度超过103 K/s）的微观结构。

研究结果

本研究中探讨的Al-10Si-1.5Fe合金，由商业合金毛胚铸锭制成，三个独立样品分别标记为C1、C2和C3。在冷却速率为30 K/s时，C1合金表现出3组强衍射图样，分别对应Al、Si和β-Al5FeSi相。当冷却速率达到6.7 x 102 K/s时，C2合金中可以看到-Al3FeSi2相。值得一提的是，当冷却速率提高到2.4 x104 K/s时，基体中的富铁相消失了。

提高冷却温度，不仅改变了富铁相的形态，而且使C2合金中共晶Si相由粗针状转变为细颗粒状。与C1和C2合金相比，C3合金基体中扩散的相更加均匀、分散。富铁相由尖长针状变为短棒状，呈更加分散的扩散状态，几乎没有明显的交织连接。最重要的是，随着冷却速率提高，合金的断裂伸长率显著提高。C2合金与铸态C1合金的拉伸性能无明显差异。但快速冷却C3合金的力学性能，要优于C1和C2合金。

随着冷却速率提高，硅相的比例明显降低。总体而言，研究人员认为，这一强化过程与针状阶梯过程几何形状改变和共晶硅相比例降低有关。

总之，冷却速率对Al-Si合金中富铁相的形状有显著影响。这种快淬涂覆技术（spin coating）可将富铁Al-Si合金的突然断裂转化为韧性断裂，这对富铁Al-Si合金的回收再利用具有重要意义，具有显著的工业应用潜力。