高熵合金改性揭示Si相粗化机制，为3D打印高性能铝合金开发提供理论依据

选区激光熔化（SLM）增材制造技术凭借成形灵活，可实现航空航天铝合金零件的单件或小批量制备，显著提高材料利用率、缩短周期并降低成本。目前适用该技术的铝合金主要为Al-Si系（如Al12Si、AlSi10Mg），但其强度与塑性难以满足复杂航天飞行器功能部件要求，因此开发高性能SLM成形Al-Si合金/复合材料成为研究热点。

为提升SLM成形Al-Si合金力学性能，国内外研究主要围绕两条路径：一是添加SiC、Al₂O₃、TiB₂、TiC、TiN等陶瓷颗粒制备复合材料，但存在润湿性差、易团聚等问题；二是通过合金化引入纳米强化相，如添加Zr+Sc（成本高）或利用Fe、Mn、Ni等低成本慢扩散元素生成耐高温第二相。此外，热处理被证实能显著调控SLM成形铝合金及其复合材料的微观组织与力学性能，但现有研究多聚焦于热处理对Si相形貌演化的影响，而耐高温第二相对Si相粗化行为的影响及机理尚不明确。

为此，大连理工大学团队采用SLM工艺制备了AlCrCuFeNi高熵合金（HEA）颗粒改性Al12Si合金，并通过固溶处理实现对其微观组织与力学性能的协同调控。通过对比分析HEA改性合金与基体合金在固溶处理中的组织演变与性能变化，重点探究了HEA颗粒对Si相粗化行为的影响机制。该研究旨在为SLM成形Al-Si合金的组织调控与性能优化提供理论依据，并为开发高性能铝合金奠定基础。

论文链接：

https://www.ams.org.cn/CN/10.11900/0412.1961.2025.00167

DOI: 10.11900/0412.1961.2025.00167

第一作者：王玮

通讯作者：张宇博，王同敏

通讯单位：大连理工大学

01

全文速览

为了探究固溶处理过程中耐高温第二相对Al12Si合金微观组织及力学性能的影响，本工作采用选区激光熔化(SLM)工艺制备了AlCrCuFeNi高熵合金(HEA)改性Al12Si合金，结合后续的固溶处理实现了对Al12Si合金微观组织与力学性能的协同调控。重点研究了固溶处理过程中耐高温第二相对Al12Si合金微观组织和力学性能的调控机制。结果表明，打印态Al12Si试样具有由典型的初生α-Al和连续共晶Si组成的胞状组织；而HEA颗粒的加入使Al12Si-HEA试样打印态组织发生显著转变，由Al12Si试样中的共晶Si相转变成共晶Si + α-Al(Fe, Cr)Si相。固溶处理后，Al12Si试样中连续的胞状共晶组织解体，转变成在基体中弥散分布的颗粒状Si相。此外，随着固溶时间的延长，Si相由于发生Ostwald熟化而逐渐粗化，平均直径变大，同时数量密度降低。值得注意的是，α-Al(Fe, Cr)Si相能够阻塞Si元素在基体中的扩散通道，从而显著降低颗粒状Si相的粗化速率。力学性能测试表明，在所有固溶时间下，Al12Si-HEA试样均表现出比Al12Si试样更优异的综合性能。这可归结于经固溶处理后，Al12Si-HEA试样形成了双粒径原位增强颗粒的微观组织，即更为细小的微米级Si相和纳米级α-Al(Fe, Cr)Si相。这种独特的微观组织使得Al12Si-HEA试样在保持较高塑性(约14%)的同时，也具有优异的极限抗拉强度(311 MPa)。

02

关键词

Al-Si合金, 高熵合金, 热处理, 微观组织

03

图文精选

本工作采用SLM工艺制备了一种高熵合金(HEA)颗粒改性Al12Si合金，并通过固溶处理实现了对其微观组织与力学性能的协同调控。通过对比和分析HEA颗粒改性Al12Si合金与Al12Si合金在固溶处理过程中微观组织演变规律和力学性能的变化特征，重点探究了HEA颗粒在固溶处理过程中对Si相粗化行为的影响。本工作旨在为SLM成形Al-Si合金的微观组织调控和性能优化提供理论依据和数据支持，为开发高性能铝合金奠定基础。

图5为固溶不同时间后Al12Si-0%HEA和Al12Si-3%HEA试样的SEM像。可见，当固溶时间为0 h时，Al12Si-0%HEA试样呈现出连续胞状组织，其中胞状组织边界由共晶Si组成，而胞状组织内部为过饱和α-Al基体；固溶0.25 h后，胞状结构完全消失，共晶Si转化成在Al基体中均匀分布的颗粒状Si相。随着固溶时间的延长，Si相的平均直径逐渐增大，而其数量密度逐渐降低。这种现象归因于固溶过程中连续的共晶Si发生Ostwald熟化，即在胞状组织尺寸较小的部位发生溶解并形成断点，并以尺寸较大的共晶Si颗粒为中心发生粗化。值得注意的是，不同固溶时间下Al12Si-3%HEA试样中Si相的平均直径相比于Al12Si-0%HEA试样有明显的减小。此外，在Al12Si-3%HEA试样中还观察到了弥散分布的浅色纳米级颗粒相，如图5g和h中箭头所示，结合XRD分析，推测其为α-Al(Fe, Cr)Si相。

图5固溶不同时间后Al12Si-HEA试样的SEM像

Fig.5SEM images of Al12Si-0%HEA (a-d) and Al12Si-3%HEA (e-h) samples with different solution treatment time (Insets in Figs.5a and e are high magnified images)

(a, e) 0 h

(b, f) 0.25 h

(c, g) 1 h

(d, h) 4 h

Al12Si-0%HEA和Al12Si-3%HEA试样微观组织随固溶时间的演化过程示意图如图13所示。由于SLM工艺特殊的凝固条件，打印态Al12Si-0%HEA试样主要由连续胞状的共晶Si以及α-Al基体组成。进行固溶热处理时，共晶组织发生破碎、断开，连续的胞状共晶Si形貌被完全破坏，共晶Si呈现细小的颗粒状。随着固溶时间的延长，Si相发生Ostwald熟化，导致Si颗粒数量密度不断减小，同时其平均尺寸不断增大。而添加了HEA颗粒后，由于HEA颗粒的熔化而为基体提供了Cr、Fe等元素，打印态Al12Si-3%HEA试样的微观组织转变成连续的胞状Si共晶和Si + α-Al(Fe, Cr)Si相以及α-Al基体。随着固溶时间的延长，同时发生Si相和α-Al(Fe, Cr)Si相的粗化。一方面，由于Cr、Fe等元素在Al基体中的扩散速率远低于Si在Al基体中的扩散速率，α-Al(Fe, Cr)Si相的粗化速率远远低于Si相，因此，α-Al(Fe, Cr)Si相仍然以纳米级的平均尺寸分布在胞状组织边界处；另一方面，由于形成的α-Al(Fe, Cr)Si相可以阻塞Si元素在基体中的扩散通道，使Si相的粗化速率降低。最终在Al12Si-3%HEA试样中形成了弥散分布在Al基体中的纳米级的α-Al(Fe, Cr)Si相和微米级的Si相的微观组织。

图13固溶处理过程中Al12Si-HEA试样微观组织演化示意图

Fig.13Schematics showing microstructure evolutions of Al12Si-0%HEA and Al12Si-3%HEA samples during solution treatment

04

结论

(1) 打印态Al12Si-0%HEA和Al12Si-3%HEA试样均具有连续的胞状组织。胞状组织内部为过饱和的α-Al基体，而胞状组织边界为共晶Si和Si + α-Al(Fe, Cr)Si相。

(2) 固溶处理后，Al12Si-0%HEA和Al12Si-3%HEA试样中的共晶组织破碎，连续的胞状共晶形貌被完全破坏，共晶Si转变为细小的颗粒状。随着固溶时间的延长，Al12Si-0%HEA试样中Si相的平均尺寸不断增大，数量密度不断降低；然而在Al12Si-3%HEA试样中，原位生成的α-Al(Fe, Cr)Si相可以有效阻塞Si元素在基体中的扩散通道，导致Si相的粗化速率显著降低。

(3) 随着固溶时间的延长，Al12Si-0%HEA和Al12Si-3%HEA试样的硬度和强度均呈现下降趋势，而塑性显著提升。

(4) Al12Si-3%HEA试样中的Si相更为细小，有助于增强Si颗粒对位错运动的阻碍作用；在胞状组织边界处弥散分布的纳米级α-Al(Fe, Cr)Si相进一步提升了材料的强化效果。这些微观组织特征共同作用，使得Al12Si-3%HEA试样在不同固溶时间下均表现出更为优异的力学性能。

论文引用

王玮, 张宇博, 赵燕, 王同敏, 李廷举. 高熵合金颗粒对选区激光熔化Al12Si合金固溶组织和力学性能的影响[J]. 金属学报, 2026, 62(6): 1009-1020.Wei WANG, Yubo ZHANG, Yan ZHAO, Tongmin WANG, Tingju LI. Influences of High-Entropy Alloy Particles on the Microstructure and Mechanical Properties of Selective Laser Melted Al12Si Alloy During Solution Treatment[J]. Acta Metall Sin, 2026, 62(6): 1009-1020.

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