藍(lán)凱，楊弋濤

鑄造鋁硅系合金的時(shí)效研究與應(yīng)用進(jìn)展

藍(lán)凱，楊弋濤

（上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444）

圍繞鑄造鋁硅系合金，基于國內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研，綜述了當(dāng)前國內(nèi)外的時(shí)效研究與應(yīng)用進(jìn)展。通過調(diào)整合金成分、改善熱處理工藝等方式可以調(diào)控鑄造鋁硅系合金中析出相的形貌與分布，從而改善合金的性能以滿足工業(yè)應(yīng)用的需求。在現(xiàn)有的時(shí)效處理工藝中，主要分為單級(jí)時(shí)效、雙級(jí)時(shí)效以及回歸再時(shí)效。在此基礎(chǔ)上著重分析了不同時(shí)效工藝下鑄造鋁硅合金的組織及力學(xué)性能變化；進(jìn)而綜述了當(dāng)前鑄造鋁硅合金的應(yīng)用進(jìn)展。基于上述研究結(jié)果，通過對(duì)熱處理工藝進(jìn)行改進(jìn)，得到更加均勻的GP區(qū)，以及更多的亞穩(wěn)相析出，能使鋁硅合金的塑性增加而強(qiáng)度不會(huì)過于降低，希望為提升鑄造鋁硅系合金的力學(xué)性能提供一些有效可行的思路。

鑄造鋁硅系合金；時(shí)效機(jī)理；時(shí)效工藝；析出相；力學(xué)性能

鑄造鋁硅合金有著質(zhì)量較輕、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)大、耐蝕性好、鑄造性能好、流動(dòng)性好、收縮率小、加工成形性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛運(yùn)用在汽車、航空航天、建筑等行業(yè)之中[1-2]。鑄造鋁硅合金通常被用于制造中低強(qiáng)度的復(fù)雜鑄件，如高鐵動(dòng)車組的枕梁、渦輪泵殼、汽車結(jié)構(gòu)部件等[3]。但是鑄造鋁硅合金的塑性、韌性偏低，強(qiáng)度與鋁鎂、鋁銅系鑄造合金相比較低，其綜合力學(xué)性能總體不高，因此提高鑄造鋁硅合金的性能以滿足工業(yè)生產(chǎn)不同需求，已成為當(dāng)下鋁合金行業(yè)研究的重點(diǎn)之一。

調(diào)整合金的固溶及時(shí)效處理工藝能對(duì)合金組織和性能造成較大的影響。通過改善固溶處理工藝，可以均勻化合金元素、調(diào)節(jié)固溶原子在固溶體中的組織結(jié)構(gòu)以及分布方式，在改善合金強(qiáng)度、塑性的同時(shí)，為后續(xù)時(shí)效處理做準(zhǔn)備；而時(shí)效處理中，隨著時(shí)效的進(jìn)行，溶質(zhì)原子與第二相組織逐漸析出，在鋁合金中起到了析出強(qiáng)化的作用，增加鋁合金的強(qiáng)度。其中沉淀相的種類、組織形貌以及分布狀況都與合金的性能有著較大的聯(lián)系。時(shí)效處理通過改變時(shí)效時(shí)間與時(shí)效溫度可以控制經(jīng)固溶處理后合金的組織，從而較為簡(jiǎn)便地得到符合人們需要的使用性能。因此有必要對(duì)鑄造鋁硅合金的時(shí)效處理工藝進(jìn)行深入了解。國內(nèi)外的研究人員進(jìn)行了大量的研究[2-4]。當(dāng)前對(duì)于鋁硅系合金的時(shí)效研究主要圍繞單級(jí)時(shí)效[5-6]、雙級(jí)時(shí)效[7-8]以及回歸再時(shí)效處理等[9-10]。文中將重點(diǎn)介紹通過時(shí)效處理提高鋁硅合金力學(xué)性能的原理以及方法，為調(diào)控、改善低硅鑄造鋁合金的力學(xué)性能，尤其是增強(qiáng)塑性方面提供一定的設(shè)計(jì)思路與方法。

1 固溶處理

鑄造鋁硅合金的固溶強(qiáng)化通常與后續(xù)的時(shí)效處理一起使用，因此時(shí)效處理效果的好壞很大程度上與固溶處理結(jié)果息息相關(guān)。在鑄造鋁硅合金固溶處理的過程中，通過在一定溫度下加熱，使合金中的第二相組織全部溶入到基體組織中，鑄件合金元素均勻化，然后以一定的冷速進(jìn)行淬火處理，以獲得過飽和固溶體[11]。

在固溶處理過程中，隨著固溶溫度的增高、固溶時(shí)間的增加，合金中的第二相組織溶解更加充分，合金元素分布更加均勻，空位以及位錯(cuò)等缺陷增多[12]。因此在進(jìn)行冷卻后，能形成組織、成分較為均勻的過飽和固溶體，使后續(xù)的時(shí)效處理效果更好。但是要注意的是，固溶溫度與固溶時(shí)間較高后，會(huì)發(fā)生過燒現(xiàn)象，從而降低后續(xù)時(shí)效處理的效果，危害合金性能。因此一般固溶溫度保持在合金的共晶溫度附近，爭(zhēng)取不發(fā)生過燒的同時(shí)，提高固溶處理的效果[13]。在固溶處理冷卻降溫的過程中，冷卻速度的選擇也與后續(xù)的時(shí)效處理息息相關(guān)。進(jìn)行淬火處理后，合金在加熱過程中過飽和固溶體的組織形貌會(huì)保留到室溫狀態(tài)下，而冷卻一開始時(shí)，其中的組織便發(fā)生了變化，已經(jīng)有了第二相組織的析出和空位、位錯(cuò)等缺陷的移動(dòng)。當(dāng)冷速較低時(shí)，過飽和固溶體中的組織變化較大，不利于后續(xù)時(shí)效處理的效果。當(dāng)冷速較高時(shí)，又會(huì)使合金中的應(yīng)力過大導(dǎo)致合金發(fā)生變形開裂。

鑄造鋁硅合金的固溶處理主要是為了得到較好的過飽和固溶體組織[14]，使合金元素均勻化，以及為后續(xù)的時(shí)效處理做準(zhǔn)備。

2 時(shí)效原理與應(yīng)用

將合金在一定溫度條件下放置一段時(shí)間，調(diào)節(jié)合金中過飽和固溶體的分解析出過程，從而改變合金的組織形態(tài)以及分布，進(jìn)而改善合金性能的一種熱處理工藝即時(shí)效處理。為了獲得符合人們需求的使用性能，鑄造Al-Si合金在經(jīng)過固溶處理后，通過對(duì)合金采用不同的時(shí)效處理工藝，可得到符合人們需求的合金性能。時(shí)效處理只需要改變時(shí)效溫度以及時(shí)效時(shí)間便能影響合金的組織從而改善性能，在工業(yè)生產(chǎn)中有較好的性價(jià)比，也是當(dāng)前鋁合金最為常用的熱處理手段之一，因此了解鑄造Al-Si合金的時(shí)效處理工藝對(duì)工業(yè)生產(chǎn)有著一定程度的參考意義。當(dāng)前的時(shí)效處理研究主要圍繞添加Mg，Zn，Cu等合金元素，單級(jí)時(shí)效、雙級(jí)時(shí)效以及回歸再時(shí)效進(jìn)行展開。

在時(shí)效過程中，過飽和固溶體會(huì)發(fā)生分解，溶質(zhì)原子發(fā)生偏聚并析出第二相組織，從而起到強(qiáng)化鋁合金性能的作用。時(shí)效過程中組織的變化主要為3個(gè)階段。

1）溶質(zhì)原子從過飽和固溶體中析出并發(fā)生偏聚，這部分溶質(zhì)原子的偏聚的區(qū)域一般被稱為GP區(qū)。此時(shí)GP區(qū)與母相呈共格關(guān)系。此時(shí)析出相較小，位錯(cuò)呈切過機(jī)制進(jìn)行移動(dòng)，隨著析出相尺寸的增加，位錯(cuò)切割機(jī)制的強(qiáng)化效果較好，合金強(qiáng)度增加。

2）隨著時(shí)效溫度增高與時(shí)效時(shí)間增加，GP區(qū)開始轉(zhuǎn)變?yōu)閬喎€(wěn)相β'與β"，此時(shí)亞穩(wěn)相β'和β"與母相呈半共格關(guān)系。因此發(fā)生晶格畸變，增加了合金的力學(xué)性能。

3）最后亞穩(wěn)相β'與β"轉(zhuǎn)變?yōu)榕c母相組織完全不共格的穩(wěn)定的第二相組織。隨著時(shí)效溫度的增高與時(shí)效時(shí)間的增加，半共格的亞穩(wěn)相β'不斷向與基體完全共格的β相發(fā)生轉(zhuǎn)變，因此晶格錯(cuò)配度降低，析出強(qiáng)化效果減弱，合金力學(xué)性能降低，并且隨著時(shí)效溫度的增高與時(shí)效時(shí)間的增加，第二相組織不斷聚集并長(zhǎng)大。由于析出相的尺寸增加到了一定的程度，此時(shí)位錯(cuò)切過析出相的應(yīng)力要大于位錯(cuò)繞過析出相的應(yīng)力，故位錯(cuò)以繞過機(jī)制進(jìn)行移動(dòng)，這時(shí)合金的強(qiáng)度隨著析出相尺寸的增加而降低。由此可見，時(shí)效過程中顯微組織的變化都與時(shí)效過程以及時(shí)效時(shí)間的變化相關(guān)。

時(shí)效處理的效果與析出相息息相關(guān)[15]。合金元素的添加能影響合金中溶質(zhì)原子與第二相析出物，因此國內(nèi)外諸多研究人員通過在鋁硅系合金中[16-17]添加不同的合金元素，控制時(shí)效過程中的組織從而得到理想的性能。

在宋宇等[16]的研究之中，銅元素有效地增加了Al-Mg-Si系合金的時(shí)效硬化速率以及時(shí)效硬度。Li Bo等[18]的研究表明，隨著銅含量的增加，Al-2.5Mg-Cu-0.2Si合金的時(shí)效硬化速率和時(shí)效硬度都得到了一定的增加，但是銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于2.10%后，會(huì)使合金的晶間腐蝕性變差。研究表明，Zn元素的添加能顯著提高時(shí)效硬度，并且縮短時(shí)效時(shí)間，加快合金的硬化速度[19]。根據(jù)許國宇等[20]的研究，隨著Zn元素含量的增加，合金的時(shí)效峰值有所提高，且時(shí)效硬化速率增加。張百在等[21]的研究表明，隨著Mg含量的增加，Al-Si合金時(shí)效處理后，組織中的富Fe相形貌更為細(xì)小規(guī)整，共晶Si組織更小，從而使合金的綜合性能更為優(yōu)異。Mn元素對(duì)鋁硅合金的性能也有著較好的影響，同時(shí)與其他元素相比，Mn元素能起到細(xì)化合金晶粒的作用[22]，并且在Al-Si系合金中加入Mn元素后，Mn元素會(huì)與合金中的鐵雜質(zhì)生成Al(FeMn)，使針狀的β-AlFeSi相變?yōu)闈h字型的α-AlFeMnSi相，從而減少合金中鐵雜質(zhì)的不良影響[23]。李潤(rùn)霞等[24]的研究表明，當(dāng)Al-Si合金中的Mn元素含量增加時(shí)，促進(jìn)了時(shí)效中的GPⅡ區(qū)的形成，阻礙了亞穩(wěn)相β的形成，從而促進(jìn)了Al-Si合金的時(shí)效強(qiáng)化過程。但是Mn元素含量過多后反而會(huì)導(dǎo)致π-Fe相的粗化、α-Al(FeMn)Si相以及共晶硅組織的粗化[25]。Fe元素在鑄造Al-Si合金中一般為雜質(zhì)元素，以漢字型α-AlFeMnSi和針狀β-AlFeSi兩種中間相形式存在。對(duì)材料的力學(xué)性能和微觀組織形貌產(chǎn)生不利影響[26]。通常在Al-Si合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～0.8%的Er元素以增強(qiáng)合金力學(xué)性能[27-29]。Yi H E等[17]的研究表明，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的鉺（Er）元素，略微增加了A356合金的硬度，同時(shí)Er元素的添加能提供A356合金的熱穩(wěn)定性。通過顯微組織觀察可知（見圖1[17]），Er元素的添加使合金中的析出相數(shù)量增多，合金在峰時(shí)效時(shí)，析出相為致密、細(xì)小的針狀β"相，同時(shí)A356-Er的析出相尺寸要小于A356合金，說明Er元素可以起到細(xì)化析出相的作用。隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，析出相的尺寸變長(zhǎng)，同時(shí)有共晶Si析出。劉懷冰等[30]的研究表明，Al-Si-Mg-Cu合金中Er元素最佳加入量為0.6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），此時(shí)具有良好的強(qiáng)化作用，輔以合理的熱處理工藝可使合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到237 MPa。

圖1 180 ℃時(shí)效后，A356合金時(shí)效峰值以及過時(shí)效后的TEM照片[17]

3 時(shí)效工藝與應(yīng)用

3.1 單級(jí)時(shí)效處理

單級(jí)時(shí)效工藝流程較為簡(jiǎn)單，并且可以使鋁硅合金獲得較好的強(qiáng)度，因此常被用作在提升產(chǎn)品的強(qiáng)度中。通常單級(jí)時(shí)效處理中主要通過改變時(shí)效溫度以及時(shí)效時(shí)間來完成合金性能的控制。

研究表明，鑄造Al-Si合金未經(jīng)熱處理前，其鑄態(tài)組織為多邊形的粗晶硅以及大量粗大的針狀共晶硅。經(jīng)過480 ℃固溶處理120 min+190 ℃單級(jí)時(shí)效熱處理90 min后，長(zhǎng)針狀共晶硅熔斷變?yōu)槎贪魻铑w粒，同時(shí)第二相組織更為彌散析出[5]。增加時(shí)效溫度，達(dá)到時(shí)效峰值的時(shí)間會(huì)減少，從動(dòng)力學(xué)的角度看，更高的時(shí)效溫度下原子擴(kuò)散更快[13-31]。研究表明在時(shí)效過程中要注意控制時(shí)效溫度，時(shí)效溫度過高，合金中的析出相發(fā)生粗化，使合金的硬度下降[32]。資料報(bào)道[33]，時(shí)效溫度150 ℃以上鋁合金析出β'相。宋亮等[34]認(rèn)為，當(dāng)時(shí)效溫度為175 ℃時(shí)，合金析出的沉淀相以GP區(qū)和β'相為主，此時(shí)析出相與母相保持半共格狀態(tài)，晶格畸變帶來的強(qiáng)化效果最好。當(dāng)時(shí)效溫度升高后，時(shí)效硬化速率增加，合金提前達(dá)到最高硬度。當(dāng)時(shí)效溫度為300 ℃，合金不再沉淀析出GP區(qū)以及β'相，而是直接析出平衡的β相組織，因此合金沒有發(fā)生時(shí)效強(qiáng)化，硬度降低。隨著時(shí)效溫度的升高，溶質(zhì)原子更易擴(kuò)散，發(fā)生聚集，析出第二相組織，從而使晶格畸變?cè)黾?，阻礙位錯(cuò)滑移，合金的硬度上升。但是隨著時(shí)效溫度的進(jìn)一步增加，析出的第二相組織開始長(zhǎng)大，因此硬度降低。但是由于析出相的長(zhǎng)大與溫度的增加，第二相組織對(duì)位錯(cuò)的釘扎降低，位錯(cuò)更容易滑移，因此沖擊韌性上升[35]。

魏超等[36]的研究表明，時(shí)效時(shí)間增加，Al-Si合金的強(qiáng)度先增加后減少。根據(jù)Edwards L等[37]的理論，在時(shí)效時(shí)間較短時(shí)，析出相主要為GP區(qū)與β'相，隨著β'相的析出晶格畸變不斷發(fā)生，合金的強(qiáng)度增加。當(dāng)時(shí)效進(jìn)入后期，β'相開始向與鋁合金母相完全共格的穩(wěn)態(tài)β相發(fā)生轉(zhuǎn)變，之后晶格畸變開始減少，因此合金的力學(xué)性能降低。隨著時(shí)效時(shí)間的變化，析出相會(huì)逐漸長(zhǎng)大并產(chǎn)生變化。張萬坤等[38]研究發(fā)現(xiàn)（見圖2），當(dāng)時(shí)效時(shí)間為9 h，組織中彌散分布著針狀的θ相和點(diǎn)狀分布的Q相。隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，針狀θ相變?yōu)榱似瑺瞀认喽c(diǎn)狀Q相變?yōu)榱酸槧頠相，因此合金的強(qiáng)度、硬度都降低。并且張萬坤認(rèn)為，當(dāng)單級(jí)時(shí)效溫度較高時(shí)，GP區(qū)形成的過程中，GP區(qū)上同時(shí)發(fā)生θ相和Q相的形核，因此單級(jí)時(shí)效過程中強(qiáng)化相不均勻析出。

圖2 不同時(shí)效時(shí)間下顯微組織200倍放大結(jié)果[38]

俞德新等[39]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，低硅Al-Si-Mg鑄造鋁合金的強(qiáng)度變化不大，但是斷后伸長(zhǎng)率不斷增加，直到發(fā)生了過時(shí)效后其伸長(zhǎng)率開始下降。時(shí)效溫度增加，其力學(xué)性能增加、伸長(zhǎng)率降低。但是伸長(zhǎng)率變化不大，在時(shí)效峰值時(shí)，屈服強(qiáng)度為313 MPa，仍有著8.1%的斷后伸長(zhǎng)率。

對(duì)于Al-Si-Cu合金來說，時(shí)效后的強(qiáng)度與θ-Al2Cu相相關(guān)[40]。在Santos S等[41]的研究中，500 ℃固溶6 h+190 ℃時(shí)效4 h后得到合金的強(qiáng)度最佳（125HV）。時(shí)效溫度為160～190 ℃時(shí)，顯微組織中GP區(qū)的形成以及Al2Cu相的產(chǎn)生導(dǎo)致合金強(qiáng)度變化。時(shí)效溫度超過190 ℃后，合金的Al2Cu相逐漸長(zhǎng)大導(dǎo)致硬度下降。值得注意的是，相較于Al-Si-Cu系合金與Al-Si-Mg系合金，Al-Si-Cu-Mg系合金由于β-Mg2Si與S-Al2CuMg相的析出，在時(shí)效過程中出現(xiàn)雙時(shí)效峰[42]，因此對(duì)于Al-Si-Cu-Mg系合金可以通過選擇不同的時(shí)效峰來得到符合人們需求的性能。Giovanni等[43]的研究表明，155 ℃+10 h第2次時(shí)效峰比155 ℃+4 h第1次時(shí)效峰強(qiáng)度更高，伸長(zhǎng)率更好。但是研究也表明，190 ℃+2 h第1次時(shí)效峰的力學(xué)性能與伸長(zhǎng)率比190 ℃+4 h第2次時(shí)效峰更好。Li等認(rèn)為，Al-Si-Cu-Mg系合金雙時(shí)效峰中第1個(gè)時(shí)效峰是由于高密度GP區(qū)的形成，第2個(gè)時(shí)效峰是亞穩(wěn)相顆粒析出，由于GP區(qū)和亞穩(wěn)相在位錯(cuò)上的形核導(dǎo)致GP區(qū)相向亞穩(wěn)相過渡，產(chǎn)生明顯間隔，從而產(chǎn)生雙時(shí)效峰[6]。為了了解雙時(shí)效峰對(duì)鑄造鋁硅合金力學(xué)性能的影響，還需對(duì)時(shí)效中GP區(qū)溶解和亞穩(wěn)相的形成進(jìn)行更多的研究。

3.2 雙級(jí)時(shí)效處理

雙級(jí)時(shí)效即為不同溫度下進(jìn)行2次時(shí)效處理。第1階段是在較低溫度下進(jìn)行預(yù)時(shí)效，提前調(diào)整合金組織為后續(xù)的第2次時(shí)效階段的形核做準(zhǔn)備；第2級(jí)時(shí)效階段是高溫時(shí)效階段，此時(shí)析出相在GP區(qū)析出；與單級(jí)時(shí)效相比，雙級(jí)時(shí)效處理后的合金有著更好的性能配比，強(qiáng)度變化不大，但是有著更好的塑性以及耐應(yīng)力腐蝕性能[7-8]。

研究表明[38]，對(duì)于一系列亞穩(wěn)相合金來說，雙級(jí)時(shí)效工藝在第1級(jí)時(shí)效時(shí)，能獲得數(shù)量多且分布均勻的GP區(qū)，這些均勻分布的GP區(qū)有助于亞穩(wěn)相在第2級(jí)時(shí)效階段的形核，使合金有著更好的組織分布，并且雙級(jí)時(shí)效相比于單級(jí)時(shí)效來說有著更多的位錯(cuò)密度以及析出密度[44-45]。采用雙級(jí)時(shí)效后能使合金達(dá)到時(shí)效峰值的時(shí)間縮短。當(dāng)預(yù)時(shí)效溫度較低時(shí)，也會(huì)使高溫階段的時(shí)效峰值提前[46]。

對(duì)于A356鋁合金時(shí)效過程之中的變化，一般認(rèn)為Al-Si-Mg合金時(shí)效過程中微觀組織變化為：GP(Ⅰ)區(qū)?GP(Ⅱ)區(qū)?亞穩(wěn)相β'?穩(wěn)定相β(Mg2Si)[47]。合金的預(yù)時(shí)效過程中，主要是為了獲得致密的GP(Ⅰ)區(qū)，Si與Mg原子聚集在基體中的位錯(cuò)以及缺陷上。這樣當(dāng)進(jìn)入第2階段時(shí)效后，便能為GP(Ⅱ)區(qū)的形成提供強(qiáng)化核心。合金中析出相與α-Al基體之間的相界關(guān)系的變化使合金的強(qiáng)度隨著發(fā)生變化。盧雅琳等[48]研究中，發(fā)現(xiàn)隨著終時(shí)效溫度的升高，A356合金的強(qiáng)度伸長(zhǎng)率先上升后下降，A356合金在終時(shí)效過程中，預(yù)時(shí)效期間形成的GP(Ⅰ)區(qū)向GP(Ⅱ)區(qū)發(fā)生轉(zhuǎn)變（見圖3）。GP(Ⅱ)區(qū)與GP(Ⅰ)區(qū)此時(shí)都與α-Al基體保持共格狀態(tài)，但是隨著時(shí)效溫度的增加，GP(Ⅱ)區(qū)的尺寸不斷變大，對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用加強(qiáng)，因此強(qiáng)度增加。隨著時(shí)效溫度的增加，組織中的GP(Ⅰ)區(qū)不斷轉(zhuǎn)換為GP(Ⅱ)區(qū)，其強(qiáng)度、塑性也不斷增加，最終當(dāng)GP(Ⅰ)區(qū)完全轉(zhuǎn)換為GP(Ⅱ)區(qū)時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到峰值；隨著時(shí)效溫度的繼續(xù)增加，溶質(zhì)原子Si和Mg開始形成亞穩(wěn)相β'相。由于亞穩(wěn)相β'相與α-Al基體為半共格關(guān)系，因此析出相對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用降低，宏觀上表現(xiàn)為合金的強(qiáng)度、塑性開始下降；而當(dāng)終時(shí)效溫度進(jìn)一步增加后，亞穩(wěn)相β'相從基體脫溶，形成穩(wěn)定的β相（Mg2Si相），此時(shí)與基體為非共格關(guān)系，隨著時(shí)效的繼續(xù)，強(qiáng)度、塑性不斷下降。

圖3 A356合金在不同終時(shí)效溫度下抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率[48]

在周斌等[49]的研究中，傳統(tǒng)熱處理后，合金基體組織中分布著圓粒狀共晶Si以及尺寸較大的片狀共晶Si，且在基體組織中分布較不均勻。經(jīng)過雙級(jí)時(shí)效處理后，基體組織中的共晶Si均勻分布在基體上，同時(shí)共晶Si組織分布更為有序化（見圖4[49]）。

圖4 傳統(tǒng)時(shí)效處理與雙級(jí)時(shí)效處理后AlSi7Mg合金的顯微組織[49]

Al-Si-Cu-Mg系合金在時(shí)效初期，Cu-Mg元素會(huì)在晶界處富集形成GP區(qū)，而后GP區(qū)發(fā)生溶解，亞穩(wěn)態(tài)組織開始沉淀形核[50]。Li Y J等[51]認(rèn)為，GP區(qū)的均勻分布使合金的亞穩(wěn)態(tài)組織在峰時(shí)效時(shí)，能有更為均勻的結(jié)構(gòu)，從而改善合金的力學(xué)性能。因此在進(jìn)行雙級(jí)時(shí)效時(shí)，要改善初始時(shí)效溫度，得到高密度、分布均勻的GP區(qū)。Zhang等[8]的研究中，使用了低溫時(shí)效、高溫時(shí)效以及雙級(jí)時(shí)效3種時(shí)效方式，通過斷口形貌對(duì)比分析其力學(xué)性能。在低溫時(shí)效時(shí)2組不同成分的Al-Si合金的斷口形貌中出現(xiàn)大量韌窩，呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的韌性斷裂的特征，同時(shí)有部分共晶硅析出且在Al基體中形成裂紋，時(shí)效過程中溶質(zhì)原子形成均勻且致密的GP區(qū)，從而提高合金的塑性，但是時(shí)效溫度較低時(shí)，抑制了亞穩(wěn)相的形成，導(dǎo)致合金的強(qiáng)度不能更好提高；在高溫時(shí)效時(shí)，2組不同成分的Al-Si-Cu-Mg合金的斷口形貌上出現(xiàn)了較多的撕裂棱以及少量的韌窩。與低溫時(shí)效相比，時(shí)效溫度較高時(shí)，亞穩(wěn)相以穩(wěn)定相能更好析出，因此合金的強(qiáng)度要更高，但是相應(yīng)的塑性變差；與高溫時(shí)效后合金的斷口形貌相比，使用雙級(jí)時(shí)效后，2組不同成分的Al-Si-Cu-Mg合金的斷口形貌上出現(xiàn)了較多的韌窩以及更少的撕裂棱，說明此時(shí)合金的塑性較好。在雙級(jí)時(shí)效過程中，較低的初時(shí)效溫度可以獲得更為致密的GP區(qū)，而在后續(xù)第2次時(shí)效時(shí)，更高的溫度使合金中的亞穩(wěn)相在均勻致密的GP區(qū)析出，使合金強(qiáng)度增加的同時(shí)，有著較好的塑性。通過雙級(jí)時(shí)效，平衡了合金的強(qiáng)度與塑性，得到了更好的均衡性能。

3.3 回歸再時(shí)效處理

回歸再時(shí)效處理（Regression and Re-Ageing）通常指在2次較低溫度的時(shí)效中插入1次較高溫度的回歸時(shí)效處理的時(shí)效制度?；貧w再時(shí)效處理由時(shí)效至?xí)r效峰值、回歸處理、在時(shí)效峰值溫度下再時(shí)效幾個(gè)步驟組成[9]?；貧w再時(shí)效處理相較于T7處理在提高鋁合金抗腐蝕性能的同時(shí)使合金的強(qiáng)度下降過多[52]?；貧w再時(shí)效工藝能更進(jìn)一步調(diào)節(jié)析出相合金中析出相的形態(tài)以及分布狀態(tài)，從而得到符合人們需求的性能[53]。與鑄態(tài)和單級(jí)時(shí)效后的合金相比，回歸再時(shí)效處理后，合金的強(qiáng)度比鑄態(tài)的高，比單級(jí)時(shí)效處理后的低，而伸長(zhǎng)率變化與強(qiáng)度變化相反[54]。

左曉姣等[55]的研究發(fā)現(xiàn)，隨著終時(shí)效溫度的增加，析出相發(fā)生過時(shí)效，使合金硬度降低?；貧w溫度增加，合金的硬度上升，而當(dāng)回歸溫度過高時(shí)，在GP區(qū)的回溶過程之中，會(huì)發(fā)生過渡相以及析出相的形核、長(zhǎng)大以及粗化，同時(shí)部分溶解的過渡相重新長(zhǎng)大，最終導(dǎo)致合金組織中的強(qiáng)化組織分布不均勻以及穩(wěn)定相的粗化使合金硬度下降。

王鑫等[10]的研究結(jié)果表明，6082鋁合金在預(yù)時(shí)效后析出Mg2Si相以及單質(zhì)Si，經(jīng)過回歸處理后，析出的Mg2Si相溶解，經(jīng)過再時(shí)效處理后，晶界內(nèi)再次析出細(xì)小彌散的Mg2Si強(qiáng)化相，晶界上形成粗大斷續(xù)的平衡態(tài)組織。在回歸處理過程中，合金晶內(nèi)的亞穩(wěn)態(tài)原子聚集區(qū)以及GP區(qū)重新溶入基體中，但是晶界上的非共格平衡相繼續(xù)長(zhǎng)大并且粗化的同時(shí)，這些非平衡共格相呈現(xiàn)斷續(xù)分布，因此使合金的耐蝕性能增加。經(jīng)過再時(shí)效處理后，晶界內(nèi)的強(qiáng)化相繼續(xù)析出，因此合金強(qiáng)度增加。最終合金組織的晶內(nèi)彌散分布著強(qiáng)化相而晶界上斷續(xù)分布著非平衡共格相，從而使合金的耐蝕性能提高的同時(shí)，保證了一定的強(qiáng)度。

4 總結(jié)與展望

目前許多時(shí)效方法都聚焦于通過控制時(shí)效溫度以及時(shí)效時(shí)間來對(duì)析出相進(jìn)行控制。單級(jí)時(shí)效能在較為簡(jiǎn)單的工藝下獲得較好的強(qiáng)度，但是強(qiáng)度與塑性總是不能得到較好的平衡。雙級(jí)時(shí)效與回歸再時(shí)效處理通過多次時(shí)效處理對(duì)各個(gè)時(shí)效過程進(jìn)行了組織調(diào)控，可獲得更好的均衡性能。

在未來的鋁硅合金研究與應(yīng)用中，為了獲得更好的性能，需要對(duì)析出相的析出順序以及析出方式進(jìn)行較為精準(zhǔn)的調(diào)控，比如通過控制預(yù)時(shí)效時(shí)間，盡量多地析出彌散均勻分布的GP區(qū)，使終時(shí)效過程中的析出相均勻分布，在不犧牲過多強(qiáng)度的情況下提升塑性。值得注意的是，目前的鑄造Al-Si系合金中，添加不同的合金元素導(dǎo)致析出相的種類以及析出順序變得更為復(fù)雜，因此需要深入了解這些相的析出行為，為鑄造Al-Si系合金時(shí)效處理工藝提供更具有針對(duì)性的指導(dǎo)。

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Research and Application Progress on Aging of Cast Al-Si Alloy

LAN Kai, YANG Yi-tao

(School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China)

The current domestic and foreign aging treatment research and application progress were reviewed based on literature study at home and abroad, focusing on cast aluminum-silicon alloys (Al-Si alloy). By adjusting the alloy composition and improving the heat treatment process, the morphology and distribution of the precipitated phases in the cast aluminum-silicon alloy can be controlled, thereby improving the properties of the alloy to the needs of industrial application. In the existing aging treatment process, it was mainly divided into single-stage aging, double-stage aging and regression re-aging. On this basis, the microstructure and mechanical properties of cast Al-Si alloys under different aging processes were analyzed. Then, the current application progress of cast Al-Si alloys was reviewed. Based on the above research results, by improving the heat treatment process, a more uniform GP region and more metastable phase precipitation can be obtained, which can increase the plasticity of the aluminum-silicon alloy without reducing the strength too much. It is expected to provide some effective and feasible ideas for improving the mechanical property of cast aluminum-silicon alloys.

cast Al-Si alloys; aging treatment mechanism; aging treatment process; precipitated phase; mechanical performance

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.03.016

TG166.3

A

1674-6457(2022)03-0124-09

2021-09-25

藍(lán)凱（1999—），男，碩士生，主要研究方向?yàn)殍T造鋁硅合金熱處理。

楊弋濤（1964—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)殍T造工藝和汽車材料輕量化等。