高壓壓鑄（HPDC）具有許多優點，包括良好的表面光潔度，尺寸精度高和優良的機械性能，已被廣泛地用於汽車部件的生產中。過去十年，壓鑄鋁合金代替鋼製零件的應用已經大大增加。研究者們在開發具有超強機械性能的壓鑄鋁合金方面已經做出了巨大的努力，其中具有雙峰/多峰微觀結構的超細共晶和亞共晶多組分合金由於其超細共晶結構可改善塑性和韌性而備受關注。
對於壓鑄鋁合金，仍然存在將屈服強度和斷後伸長率分別提升至200MPa和4%以上的挑戰。
英國布魯內爾大學開發出新型高強度Al-Si-Mg-Mn壓鑄鋁合金，屈服強度達到200MPa以上，伸長率大於4%，探討了共晶含量對組織和性能的影響。相關論文以題為“Microstructure evolution and mechanical properties of new die-cast Al-Si-Mg-Mn alloys”發表在Materials and Design。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127519308329
研究人員使用高壓壓鑄方法通過控制不同的Mg、Si含量製備了不同共晶含量的鋁合金。研究發現高壓壓鑄的凝固過程分為兩個階段，一階段是在套筒中以非常慢的冷卻速率凝固，另一階段是在模腔中以非常高的冷卻速率凝固，所以會形成枝晶和超細晶兩種類型的α-Al相。鋁合金中添加更多的Si和Mg會增加共晶的體積分數，與此同時，更多的溶質在固/液界面處偏析，影響組織過冷並限制了枝晶的生長。因此，增加共晶體積分數可有助於減小α2-Al和α1-Al晶粒的尺寸。Mn的添加可以抑制高壓壓鑄中有害相β-Fe相的形成。
圖1 不同共晶體積分數下的組織演變和晶粒取向
圖2 鋁合金SEM顯微組織圖
圖3 超細共晶區域的明場TEM顯微組織圖
枝晶-超細共晶鋁合金的機械性能在很大程度上取決於相的選擇和強化相的體積分數。研究者可以通過優化從單相共晶結構到具有多組分相的多峰共晶結構的共晶微觀結構來提高強度。鋁合金共晶區內的超細Si和Mg2Si相以及含鐵的多組分細相可以有效地抑制裂紋擴展，
超細四元共晶相能夠抑制位錯的傳播，在晶界處形成的α-AlFeMnSi顆粒可以進一步改善拉伸性能。超細共晶合金的塑性變形是由α-Al晶粒內部的位錯滑移控制的，而優異的屈服強度是由於超細共晶和α-Al晶粒之間的位錯相互作用導致更好的加工硬化效果。因此，本研究中的合金比其他一些壓鑄鋁合金具有更高的強度。
圖4 拉伸斷口的SEM照片
圖5 合金經3％拉伸應變後在二元共晶區（a）和超細四元共晶區（b）的位錯
綜上所述，作者基於多組分超細二級相強化機理的概念，已經開發出高強度壓鑄Al-Si-Mg-Mn鋁合金，微觀結構主要由初級α-Al相，α-AlFeMnSi，二元共晶（Al+Mg2Si）和超細四元Al+Mg2Si+Si+π-AlFeMnSiMg共晶組成。當共晶含量為30％時，合金的屈服強度達231MPa，伸長率為4.3%；當共晶含量為50%時，屈服強度達到281MPa，但是伸長率有所下降。該合金的開發還需進一步應用，有望擴展壓鑄鋁合金的應用領域。（文：破風）
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