北工大《JAC》：钪硅团簇对Al-Sc合金时效硬化行为的影响

近二十年来，人们对钪（Sc）作为一种合金元素在铝合金中的潜力的研究越来越感兴趣。过饱和Al-Sc合金在时效过程中形成有序的L12纳米级Al₃Sc析出相，具有显著的强化和抑制再结晶作用。Si是铝合金中常见的杂质或合金元素，因此进行了许多研究来研究Si对Al3Sc的析出和时效硬化效果的影响。早期的研究表明，Si对Al-Sc合金的沉淀硬化有负面影响。结果表明，在Al-Sc合金中加入Si后，由于Al₃Sc的不连续和/或连续析出量的增加，在凝固后冷却过程中，粗大共晶Al3Sc析出相不连续析出，随着Si含量的增加，铸态显微硬度增加。除Al₃Sc外，据报道在Al-Sc-Si合金中形成了四方Sc₂AlSi₂金属间化合物，即V相。降低了增强纳米级Al₃Sc析出物的体积分数，并且可以通过限制非常纯的Al-Sc合金中的Si浓度（<0.08 at%）来避免。

为了阐明Sc-Si团簇在Al-Sc和Al-Sc-Zr合金沉淀硬化中的作用，北京工业大学的研究人员采用显微硬度和透射电镜研究了Si添加量在0.05%～0.30%范围内对Al-0.12Sc和Al-0.12Sc-0.2Zr（wt.%）时效硬化行为的影响。结果表明0.15%的Si含量是最佳的，并且在早期时效阶段形成的Sc-Si团簇阻碍了Al₃Sc的演化过程。相关论文以题为“The influence of Sc–Si clusters on aging hardening behavior of dilute Al-Sc-(Zr)-(Si) alloy”发表在Journal of Alloys and Compounds。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0925838820321903

Al-Sc-Si合金除了在高温时效时具有较高的峰值硬度外，其时效行为的另一个特征是在相对低温下的等温时效初期，特别是在275℃时效5〜100min，硬度保持恒定或缓慢增加。溶质-溶质结合能的第一性原理计算结果与部分径向分布函数（RDF）分析结果一致，表明Si-Sc在第一个NN（最近邻）距离处的结合能为0.33ev^-1。对300℃时效1 h的Al-0.1Sc-0.2Zr-0.06Si合金基体的部分RDF分析显示，在第一NN距离处有大量的Si-Sc团簇，在第二NN处存在Sc-Sc和Sc-Zr团簇，这进一步证明了Si和Sc之间的相互作用更大，并且比其他簇（Sc-Zr，Sc-Sc）更容易形成强Si-Sc簇。TEM观察到时效至硬度平稳值的Al-Sc-Si合金不会产生明显的析出相，没有出现。这表明在Al-Sc-Si合金中可以形成Sc-Si团簇，并且时效硬化的平稳可能与Sc-Si团簇的团簇硬化行为有关。

图1等时时效过程中实验合金的硬度随温度的变化

图2实验合金在225℃等温时效过程中的硬度演变

图3实验合金在275℃等温时效过程中的硬度变化

图4实验合金在400℃等温时效过程中的硬度演变

Al-Sc-0.15Si和Al-Sc-0.3Si合金的硬度在低于325℃的温度下呈现平稳状态。这表明，Sc-Si团簇是稳定的，并可能阻止Al-Sc-Si合金在较低温度或较短时间的时效过程中Al₃Sc沉淀的演化过程。在较低温度下或在时效过程的早期阶段形成的Sc-Si团簇阻碍了Al₃Sc的发展，从而表现出明显的时效硬化效果。这种影响随着Si含量的增加而增加。在225℃等温时效下，它们的硬度曲线在最长800 h的时效过程中也表现出较长的平稳期。

Sc-Si团簇也可以解释Al-Sc-Si合金高温时效峰值硬度的原因。对于Al-Sc合金，析出驱动力随温度的升高而减小，临界形核半径较大，析出体积百分比较低，因此400℃时效时Al-Sc合金的时效硬化作用可忽略不计。对于Al-Sc-Si合金，一方面Sc-Si团簇可以作为非均匀形核中心，另一方面Si在Al₃Sc中分裂形成（Al，Si）₃Sc，增加了析出的驱动力。同时，Sc-Si团簇对高温时效过程中Al₃Sc析出相的形成没有阻碍作用。当Si含量为0.15%时达到最大值。当Si含量增加到0.3%时，峰值硬度没有增加。这表明0.15%Si是饱和的，最适合形成Sc-Si团簇和Al-0.12Sc合金中的（Al，Si）₃Sc析出。

图5（a）Al-Sc合金400时效约7h；（b）Al-Sc-0.3Si合金400时效15min的亮场TEM显微照片

综上所述：少量添加Si对Al-Sc合金的沉淀硬化具有积极作用。Al-Sc-Si合金表现出两阶段硬化。第一阶段的强化是由于Sc-Si团簇的形成，第二阶段的峰值硬度是由团簇演化而来的（Al，Si）₃Sc。找到适当的Si含量对Al-Sc的作用，从而进一步增强该合金的时效硬化理论的研究。（文：33）