汽车发动机用铸造铝合金中新型纳米带析出沉淀相的形成机理及其对高温力学性能的影响

Automotive aluminum engine is mainly manufactured by the Al-Si-Mg and Al-Si-Cu-based casting alloys. When the operating temperature over 200oC the precipitation hardening metastable phases of Mg2Si or Al2Cu in the alloys become unstable and gradually lose their strengthening efficacy, resulting in shortened service life of the material. This project aims to systematically study one type of high temperature stable Si-Hf precipitation strengthening phase which has nanobelt-like morphology in the Al-Si-Mg (Cu)-Hf alloy. The research works in this proposal include: 1) to quantitatively characterize the precipitation phase composition, crystal structure, size, distribution, and its relationship with the Al matrix by using advanced micro-analytical characterization techniques (SEM, HRTEM, HAADF, in-situ TEM, etc.); 2) to analysis interactions between the precipitate phase and a variety of structural defects; 3) to examine the role of solute atoms of micro-alloying element and the precipitates in the microstructure formation process. Based on the above, we expect to reveal the formation and growth mechanism, strengthening and toughening mechanism of the Si-Hf precipitates, and its effect on high temperature mechanical performance (strength, creep and fatigue). Research results enable us to deeply understand a new type of precipitate, meanwhile, provide us theoretical guidance and technical support on design and development of high temperature aluminum alloys for automotive engine applications.

当前汽车全铝发动机主要是以Al-Si-Mg和Al-Si-Cu为基础的铸造合金材料。在工作温度高于200oC后合金中的Mg2Si或Al2Cu亚稳态沉淀强化相不稳定，逐渐失去其强化功效，导致合金材料服役寿命缩短。本项目将系统研究Al-Si-Mg(Cu)-Hf合金中一种高温稳定的Si-Hf纳米带沉淀强化相。应用先进微观分析表征技术（SEM，HRTEM，HAADF，in-situ TEM等）定量表征纳米带沉淀相的成分、晶体结构、尺寸、分布以及与Al基体的位向关系，分析沉淀相与各种结构缺陷的相互作用，考察微合金化溶质原子和沉淀相在微观结构形成过程中的作用；在上述基础上，重点揭示Si-Hf沉淀相的形成长大机理、强韧化机理及其对合金高温力学性能（强度、蠕变和疲劳）的影响。研究结果一方面将深入认识一种新型纳米带沉淀相，同时也为设计和开发新一代汽车发动机用耐高温铝合金材料提供理论指导和技术支持。

汽车轻量化是实现节能减排有效途径，也是新能源汽车发展的必由之路。我国汽车轻量化更具迫切性。铝合金是当前实现汽车轻量化最可行关键材料。发动机占整车重量的10-15%，发动机全铝化有效降低整车重量。目前，全铝发动机缸盖和缸体超95%使用Al-Si-Mg和Al-Si-Cu两类铸造铝合金。汽车设计制造的小型化、高马力、更好的可操控性，对这类材料在更高工作温度条件下的强度、疲劳和蠕变性能稳定性提出更高的要求。.本项目按照计划任务，开展如下研究：.1).本项目采用传统的冷硬铸造方法，完成了Al-Si-Mg，Al-Si-Cu基础合金和通过添Al-Hf/Al-Zr中间合金后的含Hf/Zr合金的制备，详细分析了Zr, Hf元素的添加分别对铸造合金中初生相和固溶合金中析出相的影响。.2).结合EBSD、FIB-SEM、TEM、EDS、重位点阵理论和相关模拟计算软件，完成了Si-Hf析出相成分和结构的定量表征分析及其演变，阐明合金中析出相的演变路径为：Si3Hf→Si2Hf2→过渡态→Si2Hf；从二维/三维角度表征了合金中析出相的分布、形貌、尺寸等本征信息；深入研究了Si-Hf相的形成生长机理、阐明析出相与基体的四种取向关系，阐释了形成不同形貌析出相的本质原因。.3).Hf/Zr元素的添加可以降低合金铸造组织的缺陷，在热处理后形成高温稳定的Si-Hf相和Si-Zr相，提高了合金的高温蠕变和疲劳性能；两种元素添加形成的相对合金中Mg2Si或Al2Cu主强化相没有发现明显的影响关系，但是添加同样量的Hf在Al-Si-Mg和Al-Si-Cu合金中，发现在前者形成更高密度的Si-Hf相。.4).作为项目研究的拓展和延伸，设计了几种Al-Mg-Si-Cu合金，研究了不同Mg/Si比及Cu含量对Mg-Si相析出行为，定量表征了析出相各阶段成分和结构，阐明含Cu合金中析出相成分和结构的演变的规律；系统研究了预时效、预变形等工艺对合金自然时效和烘烤硬化性能的影响，获得实验室条件下的优化工艺，提出一种具有潜在应用的新型合金材料。.通过项目实施，发表论文12篇，其中SCI论文9篇，授权专利1项；项目负责人作为具体负责人组织国际学术会议2次，作为会议主席组织全国会议1次；在国内外会议作邀请报告10次。培养博士研究生4名，硕士研究生1名。