【摘 要】
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当前汽车全铝发动机主要使用以Al-Si-Mg和Al-Si-Cu为基础的铸造合金材料,两组合金中的主强化相分别为β″（Mg5Si6）和θ″（Al3Cu）析出相,其中β″相和θ″相分别在汽车发动机工作温度高于185 oC和225 oC时变得不稳定。现代汽车可操作性增加及发动机的小型化和大功率设计对发动机材料的耐高温性能提出了更高的要求。在Al-Si-Mg-Hf体系中,合金经过热处理形成了高密度的Si2
【基金项目】
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国家自然基金（项目号:51271209）； 国家自然基金创新团队项目（项目号:51421001）；
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当前汽车全铝发动机主要使用以Al-Si-Mg和Al-Si-Cu为基础的铸造合金材料,两组合金中的主强化相分别为β″（Mg5Si6）和θ″（Al3Cu）析出相,其中β″相和θ″相分别在汽车发动机工作温度高于185 oC和225 oC时变得不稳定。现代汽车可操作性增加及发动机的小型化和大功率设计对发动机材料的耐高温性能提出了更高的要求。在Al-Si-Mg-Hf体系中,合金经过热处理形成了高密度的Si2Hf析出相,高温稳定的Si2Hf析出相的形成大幅提高了合金的高温蠕变性能,并为新型耐高温发动机材料的设计提供理论支撑。本课题选择耐高温性能更好的Al-Si-Cu合金为基础合金,在该合金中添加微量的Hf元素以改善合金的微观组织和高温性能。本论文主要采用电子背散射衍射（EBSD）、聚焦离子束/电子束双束电子显微镜（FIB-SEM）、透射电子显微镜（TEM）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、原子分辨率的高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）、硬度测试、高温拉伸和DSC热分析等技术,结合第一性原理计算和边边匹配理论（Edge-to-edge）系统地研究了:（1）微量Hf添加对Al-Si-Cu合金微观组织和性能的影响;（2）Al-Si-Cu-Hf合金中的含Hf析出相的成分和原子结构;（3）Al-Si-Cu-Hf合金中含Hf析出相与基体间的取向关系及变体分析。得到的主要研究结论有以下几点:（1）Al-Si-Cu-Hf合金中铸造缩孔的体积分数为4.7×10-4,相对于Al-Si-Cu合金降低了一个数量级。正交结构的Si2Hf（Cmcm,a=3.672?,b=14.571?,c=3.641?）初生相和Al78.2Si9.7Cu32.5Fe16相在凝固过程中形成,而β-Fe相的数量降低。（2）Al-Si-Cu-Hf合金在固溶热处理过程中,形成了高密度的矩形状和纳米带状Si2Hf析出相,其晶体结构与Si2Hf初生相一致。在原子分辨率的HADDF-STEM图像中发现了Si2Hf析出相中的平面层错结构,层错平行于Si2Hf结构{010}面在Si2位置处沿着[101]方向位移（a+c）/2形成,且层错结构与Si2Hf在（010）面上的90o旋转孪晶结构一致。（3）多层Cu原子偏聚到Si2Hf/Al界面,Si2Hf析出相内部也发现了单层的Cu原子偏聚现象。基于B3LYP的双原子键能和键长计算结果表明Cu原子在界面处的偏聚有利于降低界面的体积应变。单层的Si原子层束缚在Cu原子固溶偏聚区和Si2Hf析出相的界面有利于降低界面能。（4）Si2Hf析出相与Al基体存在以下几种取向关系:OR1:[001]Al//[100]p,（010）Al//（001）p,（100）Al//（010）p;OR2:[011]Al//[001]p,（0-11）Al//（100）p,（100）Al//（010）p;OR3:[011]Al//[10-1]p,（21-1）Al//（101）p,（-11-1）Al//（010）p;OR4:[011]Al//[001]p,（2-11）Al//（100）p,（11-1）Al//（010）p;OR5:[011]Al//[100]p,（-31-1）Al//（010）p;OR6:[001]Al//[3-10]p,（100）Al//（001）p,（0-10）Al//（130）p;（5）边边匹配理论预测的Si2Hf析出相与Al基体的取向关系为:Type 1:<110>Al//<101>p,{111}Al//{131}p或{111}Al//{060}p;Type 2:<112>Al//<101>p,{111}Al//{131}p或{111}Al//{060}p;Type 3:<112>Al//<013>p,{111}Al//{131}p或{111}Al//{060}p;Type 4:<100>Al//<100>p,{002}Al//{002}p;（6）时效过程中,Al-Si-Cu合金主要发生θ′和纳米Si颗粒的析出。由于Hf元素的添加能够抑制θ′的析出相的形成,以至于延迟了Al-Si-Cu-Hf合金达到峰值时效的时间。实际上,添加Hf元素后Al-Si-Cu合金的高温拉伸强度变化不大而延伸率提升了51.4%,这与合金中铸造缺陷和β-Fe数量的降低直接相关。
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