Al-Si-Mg合金热处理工艺的计算与实验协同优化及性能增强研究

　　本研究针对广泛应用的亚共晶AlSi7Mg0.3（A356）合金在热处理工艺中的优化需求，通过计算材料工程（CME）与Taguchi实验设计相结合的方法，系统研究了不同Mg含量（0.2-0.5 wt.%）的AlSi9Mgx合金在T6热处理（固溶温度500-550°C、时效温度160-200°C、时效时间4-8小时）下的微观结构与力学性能演变。研究发现AlSi9Mg0.3合金在优化工艺下可实现287 MPa抗拉强度，较传统A356合金提升显著，为高性能轻量化部件开发提供了新思路。

　　

在轻量化成为制造业核心战略的今天，Al-Si-Mg合金因其优异的比强度和可热处理性，成为汽车轮毂等关键部件的首选材料。然而，传统AlSi7Mg0.3（A356）合金的性能已接近理论极限，而热处理工艺参数（如固溶温度、时效时间等）的复杂交互作用使得优化过程如同"多维迷宫"。更棘手的是，镁（Mg）含量的微小变化会显著影响β″相（主要强化相）的形成动力学，但现有研究缺乏将计算模拟与实验验证相结合的系统性方案。

针对这些挑战，Manisa Celal Bayar University的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表了一项突破性研究。他们创新性地采用计算材料工程（CME）与Taguchi实验设计联用策略，对三种不同Mg含量（0.2/0.3/0.5 wt.%）的AlSi9Mgx合金进行热处理工艺优化。通过Thermo-Calc软件模拟与低压铸造（LPDC）实验验证的双轨并行，首次建立了Mg含量-热处理参数-性能指标的定量关系模型。

关键技术包括：1）基于Taguchi方法的L₉
(3⁴
)正交实验设计，优化9组热处理参数组合；2）CME模拟预测β″相演变规律；3）扫描电镜（SEM）与能谱（EDS）联用分析微观结构；4）通过ANOVA和回归分析量化参数敏感性。

Materials Selection and Preparation
研究选取AlSi9Mgx（x=0.2/0.3/0.5）作为基材，基于Al-Mg₂
Si伪二元相图确定成分。低压铸造试样取自轮辐部位，确保工业相关性。

Computational Materials Engineering Studies
CME模拟显示：AlSi9Mg0.3在525°C固溶+180°C×6h时效时达到峰值性能（287 MPa抗拉强度），比AlSi9Mg0.2高8.2%。β″相体积分数与Mg含量呈非线性关系，0.3 wt.%时达到临界饱和值。

Conclusions
研究揭示：1）Mg含量0.3 wt.%时形成最优β″/β′相比例，过量Mg（0.5 wt.%）反而导致粗化；2）固溶温度对Si颗粒球化影响最大（贡献率42.3%），而时效温度主导β″相形成（贡献率38.7%）；3）CME模拟与实验误差<7%，验证了计算模型的可靠性。

该研究不仅为开发A356替代合金提供了具体成分-工艺窗口（AlSi9Mg0.3+525°C/6h），更开创了"计算指导-实验验证-统计优化"的三步法研究范式。其工业价值在于：将轮毂合金的热处理能耗降低15%的同时，使抗拉强度提升12%，为新能源汽车轻量化提供了关键技术支撑。