题目：The ill-defined π(AlFeMgSi) phase intermetallics formed in an automotive Al-Si-Mg alloy

第一作者：席海辉

通讯作者：陈江华、明文全

通讯单位：湖南大学、海南大学

期刊：Materials Characterization

DOI：https://doi.org/10.1016/j.matchar.2023.112839

1. 背景介绍：

A356合金以其优异的铸造成型性、耐磨性及低的热膨胀系数而被广泛应用于汽车工业中。 然而，铸造态A356合金的韧性通常较差，其中一个主要原因是因为铸态合金中存在多种粗大的含Fe第二相，这些第二相对合金的力学性能尤其是延展性有害。同时Fe又是铝合金中最常见的杂质元素并且难以去除。 A356合金中主要的含Fe相为β-AlFeSi和π-AlFeMgSi相。对于针状的β-AlFeSi相，其性质已经被广泛研究。但是π相的晶体结构及其对力学性能的影响还存在争议。明确π相晶体结构及相关性质能为深入理解调控铝合金中有害含铁金属间化合物的数量或含量打下重要基础。

2. 主要内容与亮点：

前人通过衍射方法获得的π相的结构为Al₈FeMg₃Si₆或Al₉FeMg₃Si₅，但是衍射获得的结果是一个相对大的区域内平均的结果，可能会受晶体缺陷的影响而导致结果不准确。因此，有必要在实空间直接观察π相以确定其晶体结构。本团队利用HAADF-STEM原子成像及EDS分析技术，研究了π相的晶体结构及内部缺陷，并结合第一性原理计算讨论了缺陷的形成机制，提出了一种可能的π相向AlFeSi相转变的途径。

图1. π相的形貌和成分分析。(a) HAADF-STEM 像；(b)图(a)中红色方框区域的EDS面扫描结果。

图2. (a) HAADF-STEM像，插图为对应的FFT花样；(b)为对图(a)进行单胞平均处理得到的2×2单胞的伪彩图；(c)为(b)中沿白线的强度分布图；(d-e) Al₈FeMg₃Si₆和Al₉FeMg₃Si₅沿<2-1-10>_π方向投影的原子排列示意图。

图3. (a) HAADF-STEM 像；(b)为图(a)对应的FFT花样；(c)为对图(a)进行单胞平均处理得到的 2 ×2 单胞的伪彩图；(d-e) Al₈FeMg₃Si₆和Al₉FeMg₃Si5沿<01-10>_π方向投影的原子排列示意图。

图4. (a-b) 通过单胞平均处理的缺陷和π相的HAADF-STEM像；(c) π相向缺陷转变的过渡区域；(d) 图c的GPA应变分析图。

图5. (a) π相中的Mg原子被不同的原子替换时的形成焓及充分弛豫后的结构，红色方框为缺陷区域；(b) 缺陷为Mg原子被替换Fe原子的超胞弛豫前后的晶格参数变化。

3. 总结与展望

本研究采用先进的HAADF-STEM和EDS技术在原子尺度上揭示了π(AlFeMgSi)相的结构及其缺陷。两个投影方向的实验图像证实了π(AlFeMgSi)相的结构应是Al₉FeMg₃Si₅，空间群为。同时在π相内部存在高密度的面缺陷，缺陷处富Fe和Al，贫Mg。π相中的Mg原子可以被Fe和Al原子替换，导致原子的重新排列。当π相中的全部Mg原子被Fe原子替换后形成的AlFeSi相具有较低的形成焓。本文关于π相晶体结构的结论及提出的π相向AlFeSi相转变的可能途径，预计会对如何定量和定性调控铸造铝合金中的含Fe相产生深远影响。