摘要：凝固是物质由液态向固态转变的过程，它在自然界和工业生产中都有着广泛的应用。从地球上的岩石到人类制造的各种材料，几乎都与凝固相关。金属凝固涉及熔体结构演变、液固相变、晶体形核与生长、缺陷形成与控制等多个方面，为材料制备和加工提供了重要的理论指导和技术支持；晶粒细

凝固是物质由液态向固态转变的过程，它在自然界和工业生产中都有着广泛的应用。从地球上的岩石到人类制造的各种材料，几乎都与凝固相关。金属凝固涉及熔体结构演变、液固相变、晶体形核与生长、缺陷形成与控制等多个方面，为材料制备和加工提供了重要的理论指导和技术支持；晶粒细化是金属材料制品加工制备过程中的永恒主题，是实现强韧化和组织均匀化的重要手段，是降低或消除铸造缺陷风险的有效措施，是高性能金属材料设计的有利抓手。金属凝固与细晶技术的有机结合，是实现金属制品控形、控构、控性“三位一体”加工的重要体现。

2024年第44卷第12期《特种铸造及有色合金》期刊上发布了“金属凝固细晶技术”专题，专题学术主编为山东大学刘相法教授和上海大学翟启杰教授。本技术专题深入探讨了金属凝固细晶技术的最新发展，旨在通过先进的材料科学方法提升合金的性能。专题内容宏观地覆盖了Al-Si系合金晶粒细化技术的研究进展，铝合金中富Fe相在镁熔体中的演变行为，以及细晶Al-7Si-0.35Mg-0.15Fe合金中富Fe相的调控机制。此外，专题还涉及了含Zr高强铝合金的细晶技术与性能调控新方法，Al-Si-Mn系合金中Mn致细化“中毒”效应的研究，以及脉冲电磁场凝固组织细化技术及其应用。金属凝固组织物理细化方法及其应用，Zr对亚共晶Al-Si-Cu-Ni-Mg多元合金组织性能的影响，V、B摩尔比对Al-V-B中间合金组织和晶粒细化性能的影响，以及La对Sr变质A356铝合金铸态组织与力学性能的影响等关键领域。这些研究不仅为铝合金的细晶技术提供了理论基础，也为工业应用中的材料性能优化提供了实践指导，体现了金属凝固细晶技术在材料科学中的重要地位和应用前景。

学术主编简介

刘相法 山东大学 教授

刘相法，山东大学教授、博导，国家杰出青年科学基金获得者。Journal of Materials Science and Technology、《特种铸造及有色合金》编委。从事多相铝熔体结构演变与调控，金属凝固与结晶，晶种合金与熔体技术，耐热高强韧铝合金新材料等领域的研究与教学工作。发明并研制了Al-TCB、Al-P、Si-P、Al-ABC四系列二十余种晶种合金，发明产品Al-P、Si-P在发动机关键零部件制造业获推广应用，出口二十多个国家和地区；发明产品Al-TCB晶种合金在变形铝与铸造铝合金加工行业，尤其是在难细化铝合金和严要求的铝板带电子箔铝材中获得越来越广泛的应用，涉及航空航天、汽车制造、模具制造、5G通讯、国防军工等领域。获国家技术发明四等奖1项，山东省技术发明一等奖1项，山东省科技进步一等奖1项，省部级科技奖励二等奖5项。出版专著2部，发表论文400余篇，授权国家发明专利50余项，授权美国专利1项，已转化38项，制定国家及团体标准5项。

研究方向 液态金属结构演变调控与铝合金晶种材料设计

课题组或部门研究成果简介

研究团队致力于金属熔体结构演变与控制，金属凝固与结晶，晶种材料与熔体技术，高强韧铝合金、耐热高性能(耐热高强、耐热高模量、耐热高导)铝合金及其复合材料的研究，针对铝合金材料及其加工中存在的难点、痛点、堵点问题，提出熔体处理及晶种技术手段，破解难题、突破瓶颈、促进发展。“需求牵引，晶种为本”和“科学与工程结合，研究与应用一体”是研究团队的发展理念。

翟启杰 上海大学 教授

翟启杰，教授，博士生导师，国务院特殊津贴专家，上海大学一级伟长学者。现任上海大学先进凝固技术中心主任、上海大学师资队伍专委会副主任、《上海金属》主编、世界铸造组织黑色金属技术委员会委员、中国铸造协会专家委员会主任、中国机械工程学会铸造分会副理事长、中国材料研究会凝固分会副主任、上海金属学会副理事长、以及《China Foundry》等6种学术期刊编委会副主任。

研究方向 金属凝固过程与组织调控

课题组或部门研究成果简介

领导团队提出金属凝固过程热模拟方法，解决了生产条件下金属凝固过程实验研究难题；揭示了生产条件下金属凝固过程和组织转变规律，相关成果收入国内外专著和教材；发明脉冲磁致振荡凝固组织细化和均质化技术并成功应用于生产，为解决铸坯均匀性这一国际冶金界产品质量瓶颈问题做出了原创性贡献；开发出离心铸造双金属复合辊圈等9项新产品并成功应用于生产，相关技术跻身国际铸造界前列。近四年连续入选爱思唯尔(Elsevier)高被引学者。作为第一获奖人获国家技术发明二等、中国冶金科学技术一等奖、上海技术发明一等奖和上海自然科学一等奖各1项，有12项技术成果投入应用。

专题文章

【1】Al-Si系合金晶粒细化技术研究进展与展望

摘要：Al-Si系合金具有优良的铸造性能，较高的强度与硬度、良好的耐磨和加工性能，因此在装备制造、5G通讯、电子工业等领域得到了广泛应用。近年来，制造业如汽车、高铁、3C等对Al-Si系合金的强度和塑性提出了更高的要求，发展细晶Al-Si系合金以同步提升强塑性是目前研究的重点。但是，商用晶粒细化剂存在Si“中毒”现象，当Si含量较高时这一现象愈发严重，甚至导致细化剂完全失效，α-Al晶粒尺寸达到厘米级并伴有羽毛晶等异常组织。另外，形核粒子在熔体中易沉降和团聚，随着保温时间延长，细化衰退程度加剧。本综述总结了Al-Si系合金用晶粒细化剂的研究现状和存在的问题，重点介绍了新型抗Si“中毒”Al-TCB晶种合金的特点和优势，对Al-Si系合金细晶技术提出了展望。

【2】铝合金中典型富Fe相在镁熔体中的演变行为研究

摘要：通过向镁熔体中引入Al-2Fe-2Mn、Al-12Si-2Fe-2Mn和ADC12铝合金，并进行熔体保温和冷却，在铸锭底部获得了富Fe相沉淀层。利用扫描电镜和X射线衍射技术研究了富Fe金属间化合物在Mg熔体中的形貌和结构特点，发现沉淀层中的富Fe相相较于初始铝合金中均发生了结构转变，呈核-壳结构形态。Al-2Fe-2Mn合金中的Al6(Mn，Fe)相在镁熔体中演变成了Al(Fe，Mn)和Al5(Fe，Mn)2；Al-12Si-2Fe-2Mn合金中的α-Al15(Fe，Mn)3Si2相和ADC12铝合金中的β-Al5Si(Fe，Mn)相均演变为Al5(Fe，Mn)2和(Fe，Mn)3Al0.7Si0.3。相比初始铝合金，演变后合金富Fe相中Al含量显著降低，即该部分Al溶解于镁熔体，进而可被回收利用。

【3】细晶Al-7Si-0.35Mg-0.15Fe合金中富Fe相的调控

摘要：通过加入0.5%的Al-TCB获得细晶Al-7Si-0.35Mg-0.15Fe合金，分别引入Mn、Cr来调控富Fe相，对比分析两种元素对富Fe相的调控效果及内在原因。结果表明，Mn、Cr均通过替换β-AlFeSi相中的Fe来变质富Fe相，可分别将针片状富Fe相变质为鱼骨状α-Al(Fe，Mn)Si相和块状α-Al(Fe，Cr)Si相，后者在合金中尺寸更细小，分布更均匀。当合金中添加0.1%的Mn(质量分数，下同)时，其抗拉强度、屈服强度及伸长率分别可达(327±9) MPa、(255±7) MPa和10.0%±0.8%，均比添加0.2%的Mn时要高；当合金中添加0.1%的Cr时，其抗拉强度、屈服强度及伸长率则分别可达(335±9) MPa、(270±6) MPa和11.4%±0.7%，亦高于添加0.2%的Cr时。在相同含量时，Cr对该合金具有比Mn更好的强塑化效果。该研究工作对于细晶A356铝合金(Fe≥0.15%)的绿色可再生利用具有重要意义。

【4】含Zr高强铝合金的细晶技术与性能调控新方法

摘要：7050高强铝合金因其优异的力学性能被广泛应用于航空、航天结构件材料。然而，合金化程度高、结晶温度范围宽导致该合金铸造性能差。使用Al-Ti-B、Al-Ti-C等细化7050合金时，易发生Zr致细化剂“中毒”现象。因此，将一种富含微纳尺度掺杂型粒子的Al-TCB新型细化剂引入7050合金中，研究了其对7050合金凝固组织、铸造性能及力学性能的影响。结果表明，熔体中添加Al-TCB晶种合金后，7050合金晶粒显著细化，熔体流动性提高，热裂倾向降低。指出了高效晶粒细化是抑制7050合金铸造缺陷和同步提升合金强韧性的关键，提出了含Zr高强铝合金的细晶技术与性能调控新方法。

【5】Al-Si-Mn系合金Mn致细化“中毒”效应的研究

摘要：随着再生铝用量逐渐增加，用于改善Fe相形貌的Mn元素在铝合金中的重要性愈加凸显。然而，向Al-Si-Mn合金中加入Al-Ti-B中间合金时，存在Mn致细化“中毒”现象，且“中毒”程度随Mn(或Si)含量的增加而逐渐加深。利用光学显微镜、扫描电镜、Pandat软件等手段，研究了Mn致细化“中毒”机理。结果表明，ASM系合金中Mn含量较高时，凝固初晶相为Al15FeMn3Si2，该相包覆了游离在铝合金熔体中的钛化物粒子，使之失去形核衬底作用，从而导致细化“中毒”。提出添加少量Ti调控ASM系合金中初生相和辅Al-Ti-C-B(Al-TCB)晶种合金来有效缓解Mn致细化“中毒”的新工艺。

【6】脉冲电磁场凝固组织细化技术及其应用

摘要：阐述了脉冲电磁场处理技术在凝固领域的发展现状，分析了脉冲电磁场处理凝固细晶的机制，探究脉冲电流、脉冲磁场和脉冲磁致振荡三类技术在细化凝固组织的差异，评价了在凝固不同阶段进行脉冲电磁场处理的效果，并提炼出以脉冲磁致振荡为主要技术的脉冲电磁场工业应用策略。重点分析了脉冲磁致振荡处理调控组合技术在螺纹钢HRB400EG、齿轮钢20CrMnTi、发动机曲轴用钢42CrMo的工业实践，包括在平均等轴晶区、中心偏析指数控制以及一次枝晶间距等指标的改善情况。通过工业实践揭示脉冲电磁场的工业应用前景，为脉冲电磁场进一步工业化应用提供研究方向。

【7】金属凝固组织物理细化方法及其应用

摘要：由于具有不污染金属熔体和不改变金属材料成分的优势，物理细化方法成为改善金属凝固组织和提高冶金产品性能的重要调控手段。随着对金属材料洁净度要求的提高，添加生核剂等化学细化方法在越来越多的领域将受到限制，而物理细化方法必将得到更加广泛的应用。物理细化方法可以分为接触类和非接触类两大类。接触类主要有机械搅拌、超声波、脉冲电流等。非接触类主要有电磁搅拌、机械振动、脉冲磁场和脉冲磁致振荡等。从细化机理、发展过程及工业应用等方面对典型的金属凝固组织物理细化方法进行阐述，并展望了物理细化方法未来发展趋势。

【8】Zr对亚共晶Al-Si-Cu-Ni-Mg多元合金组织性能的影响

摘要：通过直读式光谱仪、差式扫描量热分析仪(DSC)、场发射扫描电镜(SEM)、万能试验机和电化学工作站等研究了Zr对亚共晶Al-9.5Si-5Cu-2.5Ni-0.5Mg多元合金凝固过程、微观组织、力学性能及耐蚀性能的影响。结果表明，Zr会在Al3CuNi相中微量掺杂，形成Al3(CuSiZr)Ni相，Zr的掺杂对物相结构无影响，但使其形貌由连续的网状演变为离散的板片状，导致耐热相间的搭接连续性和联通率显著降低，这是该多元合金的室温和高温抗拉强度随Zr含量增加(Zr≤0.2%)呈下降趋势的主要原因。此外，Zr会降低合金的自腐蚀电位，同时因Al3CuNi相形貌演变导致腐蚀过程中生成的氧化膜更不完整，使合金耐蚀性变差，且Zr添加量(Zr≤0.2%)越高耐蚀性越差。

【9】V、B摩尔比对Al-V-B中间合金组织和晶粒细化性能的影响

摘要：为研究Al-V-B中间合金对Al-Si合金细化效果的影响规律，制备了5种不同V、B摩尔比的Al-V-B中间合金，研究了V、B摩尔比对Al-V-B中间合金组织组成和晶粒细化性能的影响。结果表明，随着V、B摩尔比降低，Al-V-B中间合金中细小的VB2颗粒数量显著增加，粗大的Al3V颗粒数量逐渐减少，当V、B摩尔比小于1/2时，出现AlB2相。此外，随着V、B摩尔比降低，Al-V-B中间合金的晶粒细化性能也得到提升。当V、B摩尔比为1∶8时，Al-V-B中间合金的晶粒细化效果最佳。

【10】La对Sr变质A356铝合金铸态组织与力学性能的影响

摘要：研究不同含量Sr、La对A356合金铸态组织与力学性能的影响。通过电阻炉熔铸合金，运用XRD、金相显微镜、扫描电镜对铸态组织、断口进行观测，并结合力学性能测试进行分析。结果表明，Sr+La组合能有效地细化变质A356合金铸态组织，达到提高其力学性能的效果。其中，添加0.05%的Sr+0.3%的La对合金组织的细化变质及力学性能的改善效果最佳；当La添加量达到0.5%后，铸态组织出现富La粗大相，降低其力学性能。

编辑/排版：江姗

校对：刘晨辉

审核：张正贺

来源：特铸杂志