Sc、Y微合金化Al-Mg-Si合金的组织性能调控研究

申报人：白昕怡申报日期：2026-05-11

基本情况

所属批次:

2026年批次

项目名称:

Sc、Y微合金化Al-Mg-Si合金的组织性能调控研究学生申报

项目类型:

创新训练项目

所属学科门类:

工学

所属专业类:

材料类

项目来源名称:

学生来源于教师科研项目选题

项目归属学院:

项目期限:

一年期

项目简介:

针对Al-Mg-Si合金强度与导电性难以协同提升的关键问题，项目创新性地引入Sc、Y微合金化策略。结合实验与多尺度微观表征，阐明Sc、Y在细化晶粒、抑制再结晶及调控Al3(Sc,Y)和β″等析出相的作用机制。在此基础上，定量解析其对室温力学性能的强化贡献，并探讨强度与导电性之间的权衡规律，探索微观组织对导电机制的影响，揭示强化机理。最终建立“成分-微观组织-物理性能”定量关系，为开发高强高导新型Al-Mg-Si合金提供理论依据。

负责人曾经参与科研的情况:

参与指导老师重点实验室开放基金项目“高速列车用6A82铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀行为研究”，协助开展合金的性能检测与分析工作。

指导教师承担科研课题情况:

1. 国家自然科学基金，混合晶界抑制铝镁钪锆合金剪切变形提高合金轧制板材退火组织均匀性研究，2023.01-2026.12

2. 重点实验室开放基金，高速列车用6A82铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀行为研究，2024.11-2026.10

指导教师对本项目的支持情况:

指导教师研究方向为高性能Al-Mg-Si合金的微观组织与性能调控研究，熟练掌握了合金微观结构特性和组织演变规律，知悉工艺-组织-性能之间的关系，在合金变形、热处理工艺优化及微观结构表征方面也取得系列研究成果，迄今已在Mater. Des., Mater. Sci. Eng. A, J. Alloys Compd.等高水平期刊发表多篇学术论文，这些为本项目工作的顺利开展奠定了实验和理论基础。

项目级别:

国家级

项目成员

序号	学生	所属学院	专业	年级	项目中的分工	成员类型
1	白昕怡	材料科学与工程学院	金属材料工程	2023	总体统筹	第一主持人
2	周利敏	材料科学与工程学院	金属材料工程	2023	组织分析	成员
3	甘健宁	材料科学与工程学院	金属材料工程	2023	合金加工	成员
4	谷佳宇	材料科学与工程学院	金属材料工程	2024	热处理实验	成员
5	黄静欣	材料科学与工程学院	材料科学与工程	2023	合金制备	成员

指导教师

序号	教师姓名	所属学院	是否企业导师	教师类型
1	刘淑辉	材料科学与工程学院	否	第一指导教师

立项依据

研究目的:

通过多尺度微观结构表征与物理性能测试，系统研究Sc、Y微合金化对Al-Mg-Si合金组织与性能的影响机理。研究阐明Sc、Y元素在合金中的存在形式与作用机制；揭示其细化晶粒、抑制再结晶及调控析出行为的微观本质；定量解析其多元强化效应与强化机理；最终建立成分-微观组织-物理性能的构效关系，为开发新一代高强度、高导电性的先进铝合金提供关键理论基础与应用支撑。

研究内容:

（1）Sc、Y微合金化Al-Mg-Si合金的微观组织分析

系统研究Sc、Y从合金铸态至时效态的全流程组织演变规律，分析Sc、Y对晶粒细化、再结晶抑制效果及析出行为的影响，精确表征初生及次生Al3(Sc, Y)相的形貌，并阐明Sc、Y的引入对β′′等强化相析出序列、尺寸、数密度与分布的影响，揭示微合金化引起细晶强化、析出强化与位错强化的微观组织根源。

（2）Sc、Y微合金化Al-Mg-Si合金的力学性能分析

结合组织分析结果，对合金进行全面的室温力学性能测试与塑性分析。通过拉伸与硬度测试获取强度、塑性及应变硬化指数等关键参数，并利用强化模型对固溶强化、细晶强化、位错强化和析出强化强化机制的贡献进行定量分解。最终建立“Sc、Y含量―微观组织―力学性能”之间的定量构效关系。

（3）Sc、Y微合金化Al-Mg-Si合金的导电性能分析

分析Sc、Y原子以及由此引入的Al3(Sc, Y)粒子对电子散射的作用，厘清溶质原子与第二相粒子对导电性的不同影响机制。通过关联力学性能与导电性能数据，深入探讨Sc/Y微合金化在提升强度的同时，对导电性能造成的权衡效应，并寻求最优的平衡点。分析析出相、晶界、点缺陷等散射源在Sc、Y微合金化合金中对电阻的贡献，为设计高强高导新型铝合金提供理论依据。

国、内外研究现状和发展动态:

轻质材料因其低密度、高强度、良好的加工性能以及环境友好性，在航空航天、汽车制造、轨道交通运输和电子等领域得到了广泛应用[1-3]。铝合金型材是轻量化的主要材料，易于加工成型，且具有更高的耐腐蚀性，降低了生产加工和后期养护成本，提高了合金的使用寿命[4]。此外，由于列车运行重量减轻，车辆在运行过程中更加容易操作，车辆行驶更加安全稳定[5]。

作为一种可热处理强化铝合金，Al-Mg-Si系合金因高比强度、优异的耐腐蚀性和良好的可成型性得到广泛青睐[6,7]。传统的Al-Mg-Si合金因其室温抗拉强度普遍处于250-300 MPa区间，综合强韧性不足，已难以满足现代高铁、轨道交通、新能源汽车及航空航天装备对结构材料高强、高韧、轻量化的严格要求。因此，亟需通过成分优化、微观组织调控及先进制备工艺的创新，开发出具有更高强度—韧性匹配的新型铝合金材料，以突破现有材料性能瓶颈，推动我国高端运输装备的自主发展与技术升级。

微合金化能够调整晶粒尺寸，增加固溶强化效果，是改善合金力学性能的主要方式[8]。Al-Mg-Si合金中主要强化元素为镁和硅。作为可热处理强化合金，在固溶时效阶段微观组织会发生转变，提高合金的性能。在时效阶段合金的析出顺序一般为：过饱和固溶体（SSSS）→原子团簇（Atomic clusters）→G.P区（Guinier Preston zone）→β''（Mg5Si6）→β'（Mg9Si5）、U1（MgAl2Si）、U2（Mg2Al2Si2）、B'（Mg9Al3Si7）→β（Mg2Si）[9]。其中β''和β'为亚稳态相，为合金中主要强化相，β相为平衡相，Mg/Si比为1.73。Cu因其相对较低的成本以及能够有效提高合金强度和韧性，被认为是6xxx系合金中绝佳的添加元素[10,11]。Y作为第一个被发现的稀土元素，Y的添加可以与Fe、Si原子结合形成第二相，减少Fe杂质对合金性能的影响，从而提升合金强度[12]，Y对合金的导电性具有“双重效应”，当Y固溶于铝基体时，引起严重的晶格畸变，成为有效的电子散射中心，降低合金的导电性能，但当Y从基体中析出，形成稳定的金属间化合物时又可以改善合金的电率性[13]。Sc元素既属于稀土元素，同时又是过渡元素，是目前被认为改善铝合金性能最有效的微量元素。此前的研究表明[14,15]，Sc可以有效细化合金晶粒、增强合金稳定性、提高合金强度韧性和耐腐蚀性，极大的改善了合金的微观组织和力学性能。然而，由于Sc的价格昂贵，很大程度上限制了Sc在铝合金中的应用。

项目深入分析稀土元素Sc、Y对Al-Mg-Si合金微观组织演变的影响规律，探讨晶界特征、位错组态、析出相变化对合金力学性能和导电性能的影响，揭示合金的强化机理。研究成果将不仅为开发新一代高性能、低成本的铝镁硅系合金提供坚实的理论依据和可行的技术路径，突破高端铝材领域的应用瓶颈，更能丰富和完善微合金化强化理论，对推动我国先进铝合金材料的自主创新与产业发展具有重要的科学意义与应用价值。

创新点与项目特色:

① 阐明Sc、Y原子及Al3(Sc,Y)析出相对电子散射的竞争性影响机制，旨在厘清通过调控Sc、Y存在形式，以打破传统合金“强度-导电性”此消彼长权衡关系的新路径，为设计同时具备高强度与高导电性的新一代铝合金提供全新的理论依据和材料设计策略。

② 揭示Sc、Y在Al-Mg-Si体系中的多重作用机制。通过探讨微合金化形成Al3(Sc, Y)析出相的作用，并借助原子尺度的计算，阐明Sc、Y原子通过影响空位和界面行为，同时揭示微合金化合金从细化晶粒、抑制热加工再结晶到调控时效析出序列的动态演变规律。

技术路线、拟解决的问题及预期成果:

（1）技术路线

项目研究的技术路线如图1所示。

图1 研究工作技术路线

（2）拟解决的问题

① Sc、Y添加协同调控合金的微观组织演变并实现强度提升的问题。项目将阐明Sc/Y从细化晶粒、抑制再结晶到影响析出相尺寸/数密度这一全流程的组织调控规律，并最终量化各强化机制对性能提升的贡献，建立定量的构效关系。

② 高强度与高导电性在铝合金中是一对固有矛盾。Sc、Y在提升强度的同时，如何影响导电性，其内在规律尚不明确。本项目将阐明Sc、Y及其析出相对电子散射的竞争机制，旨在找到打破传统“强度-导电性”权衡关系的材料设计新路径。

（3）预期成果

① 确定Sc/Y添加量，实现合金强硬度和电导率的同时提高；加深微合金化调控合金组织与性能的认识；通过动手试验和数据整理分析，实现团队成员创新能力的培养和动手力能、理论分析水平的提高。

② 形成一份数据丰富，分析详细的结题报告；在SCI和EI收录的国际或中文核心期刊上发表研究论文1篇。

项目研究进度安排:

2026.1~2026.2：收集资料，进行文献调研和前期分析，完善研究方案，准备实验器材和试剂；

2026.3~2026.6：制备合金并进行力学性能和电导率测试，采用OM、EBSD、TEM等进行微观组织表征；

2026.7~2026.12：采用强化模型定量分解细晶强化、析出强化等各机制的贡献值，并进行强化机理分析，分析微合金化对合金的电子散射作用，探明导电率机制；

2027.1~2027.5：整理数据，总结实验规律，分析机理，形成总结报告，撰写并发表学术论文。

已有基础:

与本项目有关的研究积累和已取得的成绩:

申请人所在课题组已对项目研究内容开展预研。在实验室环境下铸造制备了不同Sc、Y含量的合金，发现合金铸锭中存在一定程度的枝晶和偏析，Sc元素的添加在一定程度上细化了晶粒，并生成Al3Sc强化相，增加了铸态合金的硬度，但降低了导电率，过量添加时合金硬度下降，且晶界变宽。Y元素的添加略微增加合金硬度，但提高了合金导电率。经均匀化处理后，合金扫描电镜形貌如图2所示，合金枝晶和偏析等缺陷基本消失，灰黑色Mg2Si已溶入基体，白色含铁相破碎，尺寸及体积分数变小，Y含量为0.1%合金中仍存在部分未断裂白色第二相，经EDS分析，这些未破碎相为AlY2Si2难溶相。经物理性能测定，结果如图3所示，微合金化后合金硬度上升。确定Sc元素的最佳添加量为0.08%（质量分数，下同），硬度较无添加合金增加11.0%，导电率降低3.2%，Y最佳添加量为0.10%，硬度较无添加合金增加9.2%，导电率增加4.2%。

上述研究结果表明， Sc、Y微合金化能提升均匀化合金的强度，并改善合金的导电性，后续再通过变形和热处理工艺，可进一步改善合金的性能。

图2 合金在545℃均匀化12 h的SEM-EDS分析：(a)初始 Al-Mg-Si合金, (b)添加0.08%Sc合金, (c) 添加0.1%Y合金, (d) Sc、Y共同添加合金

图3 不同合金均匀化后的硬度和导电率：(a)含Sc合金, (b)含Y合金

已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法:

申请人所在课题组具有完整的合金制备、加工、性能测试以及微观组织观察等实验条件，拥有本项目微观组织结构分析所需的金相显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜和透射电镜，力学性能检测所需的维氏硬度仪、INSTRON力学性能测试平台，热处理所需的固溶、时效炉，样品制备所需的镶样机、抛光机、线切割机等设备。以上条件可为本项目铝合金的制备、热处理、晶内析出相鉴定及分布、形貌观察等实验及表征提供技术保障，可确保项目的顺利开展和完成。

经费预算

开支科目	预算经费（元）	主要用途	阶段下达经费计划（元）
开支科目	预算经费（元）	主要用途	前半阶段	后半阶段
预算经费总额	10000.00	无	5400.00	4600.00
1. 业务费	7000.00	无	3400.00	3600.00
（1）计算、分析、测试费	6000.00	无	3000.00	3000.00
（2）能源动力费	0.00	无	0.00	0.00
（3）会议、差旅费	1000.00	无	400.00	600.00
（4）文献检索费	0.00	无	0.00	0.00
（5）论文出版费	0.00	无	0.00	0.00
2. 仪器设备购置费	0.00	无	0.00	0.00
3. 实验装置试制费	0.00	无	0.00	0.00
4. 材料费	3000.00	无	2000.00	1000.00

结束