半固態(tài)高硅鋁合金的熱力學(xué)模擬

方 亮，陳志國， ，白月龍，張洪博，張?；I（. 中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 40083；. 湖南人文科技學(xué)院 機(jī)電工程系，婁底 47000；3. 北京有色金屬研究總院，北京 00088；4. 湖南文昌科技有限公司，婁底 47000）

半固態(tài)高硅鋁合金的熱力學(xué)模擬

方 亮1，陳志國1， 2，白月龍3， 4，張洪博1，張?；I2
（1. 中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083；
2. 湖南人文科技學(xué)院 機(jī)電工程系，婁底 417000；
3. 北京有色金屬研究總院，北京 100088；
4. 湖南文昌科技有限公司，婁底 417000）

采用基于CALPHAD法的熱力學(xué)模擬對Al-xSi-yCu-zMg半固態(tài)高硅鋁合金進(jìn)行合金成分的優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)以元素Si、Cu、Mg為因變量，對Al-Si-Cu-Mg四元高硅鋁合金進(jìn)行熱力學(xué)模擬，并用DSC測試分析驗(yàn)證模擬結(jié)果，對合金成分進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明：Cu、Mg是合金設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵元素，能顯著影響液相體積分?jǐn)?shù)對溫度的敏感度以及溫度間隔，而Si元素對其影響較小。結(jié)合半固態(tài)合金熱力學(xué)設(shè)計(jì)判據(jù)，Al-17Si-4.5Cu-1.5Mg、Al-17Si-5Cu-1Mg和Al-17Si-4Cu-2Mg是較理想的半固態(tài)觸變成形用高硅鋁合金。

高硅鋁合金；CALPHAD方法；半固態(tài)觸變成形

金屬半固態(tài)觸變成形是一種新型近凈成形工藝，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的成形。與傳統(tǒng)鑄造相比，觸變成形后的零件具有更加優(yōu)異的機(jī)械性能，而與鍛造技術(shù)比成形力小，可大大提高模具的使用壽命［1?3］。然而現(xiàn)階段觸變成形還局限于傳統(tǒng)鑄造鋁合金，無法滿足工業(yè)生產(chǎn)對材料性能多樣性的需求。新近研究結(jié)果表明［4?6］，含高硅的過共晶鋁硅合金具有耐磨性好、熱膨脹系數(shù)低以及耐蝕性和鑄造性能好的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天等領(lǐng)域。近年來，國內(nèi)外對鋁硅合金的半固態(tài)觸變性成分設(shè)計(jì)以及成分對合金組織性能的影響等方面作了大量的研究，LIU等［7］分別分析了元素Cu、Si對合金A356與合金2014觸變性的影響，ATKINSON等［8］對Al-Si-Cu系合金進(jìn)行了較系統(tǒng)的觸變性研究，F(xiàn)ARKOOSH等［9］采用熱力學(xué)方法對Al-7Si-（0～1Ni）-0.5Cu-0.35Mg合金進(jìn)行了相組成分析以及各相對合金性能的影響，SALLEH等［10］采用熱力學(xué)模擬方法分析了元素Mn、Fe對半固態(tài)A319鋁合金的影響，優(yōu)化了合金成分。但迄今為止，研究對象還局限于Si含量較低的亞共晶鋁硅合金，對過共晶鋁硅合金的觸變性研究甚少。熱力學(xué)模擬［11］不僅可以縮短研究周期，并能有效實(shí)現(xiàn)半固態(tài)觸變性合金成分的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文作者以 Al-Si-Cu-Mg四元系合金為研究對象，基于CALPHAD方法模擬合金在不同成分下的半固態(tài)觸變性，對理想的半固態(tài)觸變成形用高硅鋁合金優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行成功探索。

1 基本原理和方法

熱力學(xué)模擬平衡條件下相組成的理論基礎(chǔ)是吉布斯自由能最小原理，而非平衡條件下的凝固過程則是基于Scheil-Gulliver模型來分析［12?13］。

平衡凝固下，溶質(zhì)濃度和固相分?jǐn)?shù)的變化遵循杠桿定律，兩者的關(guān)系可以表示為［14］

式中：k表示溶質(zhì)濃度和溶液濃度比例系數(shù)；0c為合金液的初始濃度；fs為合金的固相分?jǐn)?shù)。對式（1）進(jìn)行變形可得：

式中：Tl、Ts分別表示平衡凝固下液相線和固相線溫度。

非平衡凝固下，溶質(zhì)濃度和固相分?jǐn)?shù)的關(guān)系可以用Scheil-Gulliver模型來描述，該模型的假設(shè)條件是：①固相中的溶質(zhì)擴(kuò)散小到可以被忽略；②液相中的溶質(zhì)擴(kuò)散非?？欤阋园l(fā)生完全擴(kuò)散。在此基礎(chǔ)上，式（1）和（2）可以分別表示為

Scheil-Gulliver模型在應(yīng)用于多元系合金時(shí)有嚴(yán)格的制約條件，為了使熱力學(xué)模擬具有普適性和精確性，提出了 CALPHAD方法［15?16］，該法是在 Scheil-Gulliver模型的基礎(chǔ)上綜合考慮平衡條件下的作用，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正而得到的熱力學(xué)模型。

在對半固態(tài)觸變合金成分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，先對不同成分下的合金進(jìn)行熱力學(xué)評估，液相體積分?jǐn)?shù)對溫度的敏感度dfL/dT和溫度間隔ΔT是半固態(tài)觸變合金優(yōu)化設(shè)計(jì)的兩個(gè)重要參量。dfL/dT表示液相體積分?jǐn)?shù)?溫度曲線的斜率值，反映了溫度對于液相體積分?jǐn)?shù)的影響；ΔT表示液相體積分?jǐn)?shù)在某范圍內(nèi)所對應(yīng)的溫度區(qū)間。半固態(tài)合金設(shè)計(jì)的主要分析項(xiàng)目包括［17?19］：①液、固相線之間的凝固溫度間隔ΔTS/L；②液相體積分?jǐn)?shù)在0.3～0.5范圍內(nèi)的工藝溫度間隔ΔT0.3/0.5；③液相體積分?jǐn)?shù)在0.4處的敏感度（dfL/dT）f=0.4。研究表明，半固態(tài)觸變成形用合金成分熱力學(xué)設(shè)計(jì)判據(jù)是［20?22］：液相體積分?jǐn)?shù)敏感度（dfL/dT）f=0.4應(yīng)小于0.025 K?1，凝固溫度間隔應(yīng)滿足 30K≤ΔTS/L≤150K，而液相體積分?jǐn)?shù)在0.3～0.5范圍內(nèi)的工藝溫度間隔ΔT0.3/0.5不能太小，一般大于10 K。

2 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)中主要是通過分析元素Si、Cu和Mg對四元系A(chǔ)l-Si-Cu-Mg半固態(tài)高硅鋁合金觸變性的影響來優(yōu)化半固態(tài)觸變合金的成分。合金設(shè)計(jì)以A390鋁合金作為參考合金，其主要成分為 Al-17Si-4.5Cu-0.55Mg（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）。這是由于A390具有耐磨性好、熱膨脹系數(shù)低以及良好的耐蝕性和鑄造性能等優(yōu)點(diǎn)，是一種應(yīng)用廣泛且極具代表性的高硅鋁合金。在分析Si的影響時(shí)，設(shè)計(jì)四元合金系A(chǔ)l-4.5Cu-0.55Mg-xSi，x含量為12%～30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），根據(jù)CALPHAD方法模擬出該系列合金下的液相體積分?jǐn)?shù)?溫度關(guān)系曲線；在分析Cu、Mg的影響時(shí)，分別設(shè)計(jì)了四元合金系A(chǔ)l-17Si-0.55Mg-yCu和Al-17Si-4.5Cu-zMg，其中y、z含量均為0～10%，用同樣方法模擬出對應(yīng)合金系下的液相體積分?jǐn)?shù)?溫度關(guān)系曲線。最后分析熱力學(xué)模擬所得結(jié)果，由半固態(tài)合金設(shè)計(jì)判據(jù)得到適合于半固態(tài)觸變成形的合金成分。

為了檢驗(yàn)熱力學(xué)模擬結(jié)果，比較了基于CALPHAD方法模擬與通過DSC測試所得到的液相體積分?jǐn)?shù)?溫度曲線，分析合金選取熱力學(xué)模擬下較理想的半固態(tài)新合金，DSC測試合金采用純Mg、純Al、中間合金Al-20Si和Al-50Cu配比熔煉得到；測試設(shè)備為Dupont 910分析儀，加熱和冷卻速率均為10 K/min，樣品為約10 mg的粉末。最后對測試后的加熱和冷卻曲線進(jìn)行積分換算得到液相體積分?jǐn)?shù)?溫度關(guān)系曲線［23］。

3 結(jié)果與討論

3.1 合金元素對液相體積分?jǐn)?shù)?溫度曲線的影響

3.1.1 Si元素的影響

為了分析Si元素對合金觸變性的影響，簡化設(shè)計(jì)了Al-4.5Cu-0.55Mg-xSi四元合金，x為12%～30%。采用CALPHAD方法得到合金在不同Si含量下的熱力學(xué)模擬結(jié)果，如圖1所示。圖1（a）所示為液相體積分?jǐn)?shù)?溫度關(guān)系曲線，由圖1（a）可知，隨著Si含量的變化，曲線在低液相體積分?jǐn)?shù)區(qū)間內(nèi)基本趨于一致，也即不同Si含量對合金的液相體積分?jǐn)?shù)敏感度影響很小。

圖1（b）所示為四元合金系A(chǔ)l-4.5Cu-0.55Mg-xSi在Si含量為12%～30%范圍內(nèi)的凝固溫度間隔ΔTS/L、工藝溫度間隔ΔT0.3/0.5和液相體積分?jǐn)?shù)敏感度（dfL/dT）f =0.4的變化曲線。由圖1（b）可知，（dfL/dT）f =0.4隨Si含量增加無明顯變化，變化范圍為0.022～0.025 K?1。ΔT0.3/0.5隨Si含量的增加有增大的趨勢，但變化很小，其值從開始的8.7K增加為9.56 K。而ΔTS/L卻與Si含量呈一種近線性增長的關(guān)系，對應(yīng)值從初始的70 K變?yōu)?33.1 K。

對于Al-4.5Cu-0.55Mg-xSi四元過共晶鋁硅合金，在不同的Si含量下，其液相體積分?jǐn)?shù)敏感度和工藝溫度間隔的變化均很小，而凝固溫度間隔呈近線性增長。根據(jù)半固態(tài)合金熱力學(xué)設(shè)計(jì)判據(jù)可知，通過改變 Si含量不能有效改善合金的半固態(tài)觸變性。這是由于溫度較低時(shí)，只有晶界處的共晶相發(fā)生溶解，Si含量較大的初晶硅相不會溶解，因而Si含量的變化對合金的觸變性影響很小。

圖1 不同Si含量時(shí)合金的熱力學(xué)模擬結(jié)果Fig. 1 Thermodynamic simulation results of alloys with different amounts of Si: （a） Curves of liquid volume fraction vs temperature；（b） Changing curves of ΔTS/L，ΔT0.3/0.5and （dfL/dT）f =0.4

圖2 不同Cu含量時(shí)合金的熱力學(xué)模擬結(jié)果Fig. 2 Thermodynamic simulation results of alloys with different amounts of Cu: （a） Curves of liquid volume fraction vs temperature； （b） Changing curves of ΔTS/L，ΔT0.3/0.5and （d　fL/dT）f =0.4

3.1.2 Cu元素的影響

為了分析Cu元素對合金觸變性的影響，設(shè)計(jì)了Al-17Si-0.55Mg-yCu四元合金，y為 0～10%。用CALPHAD方法得到合金在不同Cu含量下的熱力學(xué)模擬結(jié)果，如圖2所示。圖2（a）所示為液相體積分?jǐn)?shù)?溫度關(guān)系曲線。由圖2可知，隨Cu含量的增加，液相體積分?jǐn)?shù)?溫度曲線逐漸變得沒那么陡峭，即（dfL/dT）f =0.4變小。

圖2（b）所示為四元合金系A(chǔ)l-17Si-0.55Mg-yCu在Cu含量為0～10%范圍內(nèi)的凝固溫度間隔ΔTS/L、工藝溫度間隔ΔT0.3/0.5和液相體積分?jǐn)?shù)敏感度（dfL/dT）f =0.4的變化曲線。由圖2（b）可知：（dfL/dT）f =0.4隨Cu含量的增加而逐漸減小，減小幅度開始較加，然后隨Cu含量的增大逐漸變小，終值約為0.01 K?1。ΔT0.3/0.5隨Cu含量的上升而呈近線性的增長，其值從2.38 K增大為20.98 K。而ΔTS/L也隨Cu含量的增加而增大，在加入 1%Cu時(shí)增長幅度最大，由不含Cu時(shí)的79 K增長為130.5 K；繼續(xù)加入Cu，ΔTS/L以一種線性方式增長，增長幅度相比變小。

由以上熱力學(xué)模擬結(jié)果知，加入Cu能增大合金的工藝溫度間隔，并使得液相體積分?jǐn)?shù)敏感度減小。根據(jù)半固態(tài)合金熱力學(xué)設(shè)計(jì)判據(jù)可知：Cu可以有效改善合金半固態(tài)觸變成形性，但過量Cu會使得固液溫度間隔變大，易于產(chǎn)生熱裂并使后凝固的液態(tài)合金流動性變壞。通過比較不同合金成分下的各參量，得出較合理的半固態(tài)合金成分為Al-17Si-（5～6）Cu-0.55Mg。

3.1.3 Mg元素的影響

為了研究Mg元素對合金觸變性的影響，設(shè)計(jì)了Al-17Si-4.5Cu-zMg四元合金，z含量在0～10%之間。采用CALPHAD方法得到合金在不同Mg含量下的熱力學(xué)模擬結(jié)果如圖3所示。圖3（a）所示為液相體積分?jǐn)?shù)?溫度關(guān)系曲線。由圖3（a）可知，隨著Mg的加入，曲線在液相體積分?jǐn)?shù)為0.4處的斜率先逐漸減小，然后又隨Mg含量的增加有上升的趨勢；Mg含量大于5%時(shí)，曲線基本重合，也即（dfL/dT）f =0.4不再隨著Mg含量的改變而發(fā)生變化。

圖3（b）所示為合金系A(chǔ)l-17Si-4.5Cu-zMg在Mg含量由0%增加至10%時(shí)凝固溫度間隔ΔTS/L、工藝溫度間隔ΔT0.3/0.5和液相體積分?jǐn)?shù)敏感度（df/dT）=的

Lf0.4變化曲線。從圖3（b）可以看出，Mg含量對ΔT0.3/0.5的影響較小，當(dāng)鎂含量為0～10%時(shí)，ΔT0.3/0.5在Mg含量為1.5%時(shí)取得最大值13.78 K；當(dāng)Mg含量從0%增加到2%時(shí)，（dfL/dT）f =0.4從0.034 K?1降至0.015 K?1；然后該值隨Mg含量的增加又增加，當(dāng)Mg含量為2.5%時(shí)，（dfL/dT）f =0.4為0.034 K?1。當(dāng)Mg含量再增加時(shí)，曲線逐漸變得平坦，其值基本不隨Mg含量發(fā)生變化。Mg含量對ΔTS/L的影響較大，當(dāng)加入0.5%Mg時(shí)，其值與不含Mg元素的合金比增加了11.5 K，為151.8 K。而當(dāng)Mg含量從0.5%增加到7.5%時(shí)，ΔTS/L的值則逐漸減小為73.7 K；當(dāng)Mg含量繼續(xù)增加到10%時(shí)，其值又增加為106.8 K。

圖3 不同Mg含量時(shí)合金的熱力學(xué)模擬結(jié)果Fig. 3 Thermodynamic simulation results of alloys with different amounts of Mg: （a） Curves of liquid volume fraction vs temperature； （b） Changing curves ofΔTS/L，ΔT0.3/0.5and（dfL/dT）f =0.4

據(jù)以上熱力學(xué)模擬結(jié)果知，加入合適的Mg可以使得合金具有較低的液相體積分?jǐn)?shù)敏感度和較寬的工藝溫度間隔，因而可以通過調(diào)整合金中的Mg含量達(dá)到半固態(tài)成分的優(yōu)化設(shè)計(jì)。由半固態(tài)合金熱力學(xué)設(shè)計(jì)判據(jù)，最終得到比較理想的半固態(tài)觸變成形合金成分為Al-17Si-4.5Cu-（1～2）Mg。

3.1.4 Al-Si-Cu-Mg四元系合金中 Cu與 Mg的綜合分析

在Al-Si-Cu-Mg系合金中，由于Si不能有效改善合金的半固態(tài)觸變性，故后面的討論中Si含量設(shè)為定值17%。而改變Cu、Mg的含量則可以實(shí)現(xiàn)半固態(tài)合金成分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，且Cu、Mg可以與Al生成Mg2Si、CuAl2和Q相（Cu2Mg8Si6Al5），能夠提高合金的強(qiáng)度，但過高的Cu、Mg含量也會降低合金的塑性、韌性和耐腐蝕性，其加工性能也會變差。為了使Cu、Mg含量更加合理，本文作者進(jìn)一步綜合探討了Si恒為17% 時(shí)Cu與Mg在Al-Si-Cu-Mg四元系金中的影響。主要從Cu與Mg質(zhì)量比和Cu+Mg含量這兩個(gè)參數(shù)來進(jìn)行分析，先討論分析得到Cu與Mg質(zhì)量比為3，Cu+Mg含量不同下的熱力學(xué)模擬結(jié)果如圖4所示。圖4（a）所示為 Al-17Si-xMg-yCu四元系合金的液相體積分?jǐn)?shù)?溫度關(guān)系曲線，而圖4（b）則是參量ΔTS/L、ΔT0.3/0.5和（dfL/dT）f =0.4在不同Cu+Mg含量下的變化曲線。從圖 4（b）中可以看出，ΔTS/L的變化并不大，僅在開始階段有一定的減小，而后，隨 Cu+Mg含量增加而呈緩慢增大的趨勢。ΔT0.3/0.5在開始階段隨Cu+Mg的含量增加而增大，當(dāng)Cu與Mg含量為6%時(shí)，取得最大值13.75 K；隨Cu與Mg含量的增加而緩慢減小，當(dāng)Cu與Mg含量10%時(shí)，其值減小到7.96 K。當(dāng)Cu與Mg含量在1%～7%時(shí)，（dfL/dT）f =0.4是逐漸減小的，下降趨勢由快到慢，在Cu與Mg含量為7%時(shí)取得最小值0.013 K?1；其值隨著Cu與Mg含量的增加而增大，當(dāng)Cu與Mg含量為10%時(shí)其值為0.027 K?1。

在此基礎(chǔ)上，分析計(jì)算得到Cu與Mg含量為6%，Cu與Mg質(zhì)量比不同下的熱力學(xué)模擬結(jié)果如圖5所示，其中圖5（a）所示為Al-17Si-xMg-yCu四元系合金的液相體積分?jǐn)?shù)?溫度關(guān)系曲線，圖5（b）所示為各參量ΔTS/L、ΔT0.3/0.5和（df/dT）在不同Cu與Mg質(zhì)

Lf=0.4量比下的變化曲線。從圖5（b）可以看出，隨著Cu與Mg質(zhì)量比增加，ΔTS/L是逐漸增大的，增大趨勢由快到慢，最后趨于平穩(wěn)。ΔT0.3/0.5在開始階段隨著Cu與Mg質(zhì)量比增加而增大，當(dāng)w（Cu）/w（Mg）=3時(shí)，取得最大值13.78 K；然后隨Cu與Mg質(zhì)量比的增大而緩慢減小，當(dāng)Cu+Mg含量為10%時(shí)，其值減小為11.02 K。（dfL/dT）f=0.4在開始階段是逐漸下降，在 Cu與Mg質(zhì)量比為2時(shí)，取得最小值0.014 K?1，后該值隨w（Cu）/w（Mg）比增加而緩慢增大最后趨于平穩(wěn)，其值為0.019 K?1。

根據(jù)半固態(tài)成分熱力學(xué)設(shè)計(jì)判據(jù)可知，Al-17Si-xCu-yMg合金中元素Cu和Mg應(yīng)該滿足關(guān)系：Cu與Mg含量在5%～8%之間，Cu與Mg質(zhì)量比為2～5。綜合考慮合金的機(jī)械性能，最終得到幾種較為理想的半固態(tài)新合金成分為 Al-17Si-4.5Cu-1.5Mg、Al-17Si-5Cu-1Mg、Al-17Si-4Cu-2Mg。

圖5 當(dāng)Cu+Mg含量為6%、Cu/Mg比不同時(shí)合金的熱力學(xué)模擬結(jié)果Fig. 5 Thermodynamic simulation results of alloys with different ratios of Cu to Mg （mass fraction of Cu+Mg is 6%）: （a） Curves of liquid volume fraction vs temperature；（b） Changing curves of ΔTS/L，ΔT0.3/0.5and（df/dT）Lf=0.4

3.2 對比分析熱力學(xué)模擬結(jié)果與DSC測試結(jié)果

圖 6所示為不同合金在熱力學(xué)模擬下的曲線和DSC曲線對比圖，合金為熱力學(xué)模擬結(jié)果所得較理想的半固態(tài)合金。分析各對比圖可知：在開始階段，各圖中的DSC曲線皆介于熱力學(xué)模擬CALPHAD曲線和平衡曲線之間。在液相體積分?jǐn)?shù)大于0.3時(shí)，圖6（a）中熱力學(xué)模擬CALPHAD曲線介于平衡曲線與DSC曲線之間。由圖6（b）可知，熱力學(xué)模擬CALPHAD曲線先是高于平衡曲線與DSC曲線，然后又介于兩者之間。圖6（c）中CALPHAD曲線先是略高于平衡曲線，后介于平衡曲線與 DSC曲線之間，但就變化趨勢來看，CALPHAD曲線更接近于DSC曲線。在液相體積分?jǐn)?shù)大于 0.9后，各圖中熱力學(xué)模擬平衡曲線與CALPHAD曲線基本重合，而DSC曲線在圖6（a）中要稍高于模擬曲線，在圖6（b）中基本重合，而在圖6（c）中則稍低于模擬曲線。綜合來看，CALPHAD模擬曲線與DSC測試曲線在液相體積分?jǐn)?shù)為0.3～0.5的范圍內(nèi)變化趨勢相似，具有較好的一致性，驗(yàn)證了采用CALPHAD技術(shù)對半固態(tài)觸變成形合金成分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)具有科學(xué)性。

圖6 不同合金在熱力學(xué)模擬下的曲線和DSC曲線Fig. 6 Liquid volume fraction vs temperature from thermodynamic simulation and DSC test for different alloys: （a） Al-17Si-4.5Cu-1.5Mg； （b） Al-17Si-5Cu-1Mg； （c） Al-17Si-4Cu-2Mg

4 結(jié)論

1） Si可以增加合金的凝固溫度間隔，但對合金的工藝溫度間隔和液相體積分?jǐn)?shù)敏感度影響很小。

2） Cu可以增加合金的凝固溫度間隔和工藝溫度間隔，并使液相體積分?jǐn)?shù)?溫度曲線在液相體積分?jǐn)?shù)為0.4時(shí)，斜率變小，即敏感度值減小。

3） 當(dāng)加入少量Mg時(shí)，凝固溫度間隔和工藝溫度間隔都會增大，液相體積分?jǐn)?shù)敏感度值減?。浑S著Mg含量增加，敏感度值會逐漸增大并達(dá)到一個(gè)最大值后趨于穩(wěn)定，工藝溫度間隔減小到一個(gè)最小值也趨于穩(wěn)定，而凝固溫度間隔則隨Mg的增加而逐漸減小。

4） 根據(jù) CALPHAD方法下的熱力學(xué)模擬結(jié)果，加入合適的元素Cu和Mg可以有效改善合金的觸變性。由半固態(tài)觸變成形合金設(shè)計(jì)的判據(jù)可知：對于Al-xSi-yCu-zMg四元合金系，在Si含量恒為17%時(shí)，較為理想的半固態(tài)合金觸變成形的合金有 Al-17Si-4.5Cu-1.5Mg、Al-17Si-5Cu-1Mg和Al-17Si-4Cu-2Mg。

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（編輯 龍懷中）

Thermodynamic simulation of high silicon aluminum alloys for semi-solid processing

FANG Liang1， CHEN Zhi-guo1， 2， BAI Yue-long3， 4， ZHANG Hong-bo1， ZHANG Hai-chou2
（1. School of Materials Science and Engineering， Central South University， Changsha 410083， China；2. Department of Mechanical and Electrical Engineering，Hunan University of Humanities Science and Technology， Loudi 417000， China；3. Beijing General Research Institute for Nonferrous Metals， Beijing 100088， China；4.Hunan Wenchang Technology Company Limited， Loudi 417000， China）

The thermodynamic simulation based on CALPHAD method was applied to optimize the high silicon aluminum alloys Al-xSi-yCu-zMg for semi-solid thixoforming. This simulation was performed with three parameters Si，Cu and Mg， and the results were analyzed and compared with the DSC test， and then， the semi-solid alloys were optimized. The results show that Cu and Mg are two key elements for alloys design and can notably affect liquid volume fraction vs temperature sensitivity and temperature interval， while Si has little effect on these two parameters. Considering the criterion of alloys design， some new optimal alloys for semi-solid processing are available: Al-17Si-4.5Cu-1.5Mg， Al-17Si-5Cu-1Mg and Al-17Si-4Cu-2Mg.

high-silicon aluminum alloy； CALPHAD method； semi-solid thixoforming

Project（51011120052） supported by the National Natural Science Foundation of China； Project （2015DFA51230） supported by the International Science and Technology Cooperation Projects

date： 2015-07-22； Accepted date： 2015-12-10

CHEN Zhi-guo； Tel: +86-738-8325517； E-mail: zgchen@mail.csu.edu.cn

TG113.14

A

1004-0609（2016）-04-0715-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51011120052）；國際科技合作資助項(xiàng)目（2015DFA51230）

2015-07-22；

2015-12-10

陳志國，教授，博士；電話：0738-8325517；E-mail: zgchen@mail.csu.edu.cn