百十华章，薪火相传；矢志创新，逐梦前行。值此河海大学建校110周年之际，365英国上市官方网站特别推出“百十科创”系列专栏，聚焦学院本科生、研究生科创团队，以“科创案例分享+科研思维解码+学术品格养成”三位一体模式，搭建深度交流平台，让科创传承从“单向灌输”变为“双向奔赴”，真正激活学院内部的学生创新生态，持续培育具有家国情怀与国际视野的创新型人才梯队。
本期让我们走进《过共晶铝硅合金硅相调控机理及其性能研究》项目，见证材料学子如何以科技为刃、以匠心为魂，在百十河海的沃土上续写创新传奇，为“材料报国”注入青春力量！
项目名称
过共晶铝硅合金硅相调控机理及其性能研究
项目类别
江苏省科研与实践创新计划项目（省级）
项目负责人及指导老师介绍
项目负责人：韩程澄，365英国上市官方网站2022级材料与化工硕士研究生，研究方向为金属的凝固与改性。指导老师：吴玉娜副教授，研究方向为高性能铝合金、铜合金。
选题探索
过共晶铝硅合金凭借其卓越的铸造性能、低热膨胀系数、优异的耐磨性及导热特性，已成为发动机关键部件、新能源汽车动力电池散热系统及高密度电子封装等领域重点研发的轻量化材料。然而，该材料显微组织中存在的粗大初生硅与层片状共晶硅相严重制约了其综合性能表现：初生硅（典型形貌包括八面体、板片状及五瓣星形）尖锐棱角处易产生应力集中效应，诱发基体割裂并最终导致构件失效；共晶硅与α-Al相的耦合生长不仅破坏组织连续性（延伸率降幅超过50%），同时形成自由电子和声子的迁移屏障，致使导热/导电性能显著衰减（降幅达30%-40%）。这一系列关键科学问题已成为制约高硅铝合金在高端制造领域规模化应用的核心障碍。为响应国家高性能金属材料发展战略需求，推动该材料在航空航天装备、新能源汽车及先进电子器件等战略领域的深度应用，亟需构建创新性的硅相调控技术体系，从而实现高硅铝合金力学与热学性能的协同提升。
高硅铝合金的小平面-非小平面凝固体系（Al-Si）与铸铁（Fe-G）凝固行为具有显著类比性。球墨铸铁“片状石墨→球状石墨”转变机制及其凝固理论的突破，为过共晶铝硅合金硅相调控提供了创新视角——共晶凝固离异生长。本团队通过自主开发玻璃管吸铸工艺实现制备了具有离异化凝固特征的过共晶铝硅合金棒材，实现层片状共晶硅完全消弭及亚微米级初生硅颗粒（PSPs）均匀分布，如图 1所示。
不同铸造方法制备的A390合金深腐蚀SEM显微组织：(a, b) 常规金属型铸造（组织为粗大的初生硅和层片状共晶硅）；(c, d) 玻璃管吸铸（组织为细小硅颗粒）
然而，受限于凝固理论体系不完善，如何通过热力学-动力学耦合作用实现共晶离异生长的稳定控制仍待破解。具体而言，临界激冷强度、局域溶质浓度阈值、界面能梯度与形核驱动力等关键参数的量化模型尚未建立，多参数交互效应对共晶反应失稳的机理认知仍存空白。
实践经历
基于上述理论瓶颈，本团队提出以“多场耦合调控”为核心的突破策略。前期研究首次揭示过共晶铝硅合金（A390）实现共晶凝固离异化的双临界条件：（1）初生硅形核阶段须满足激冷条件（>100℃/s）；（2）共晶反应阶段需维持亚稳态过冷（ΔT<5℃）（Metall. Mater. Trans. A, 2022,53）。初始激冷效应通过提供超临界形核过冷度，显著提升初生硅形核驱动力。结合Al-Si体系小平面-非小平面凝固特性，高过冷度下形核生长速度差异弱化了温度场与溶质场的交互作用，有效抑制耦合生长。此过程同时消耗大量熔体Si原子，使得共晶阶段在玻璃管铸型低导热特性下，仅能以亚微米级初生硅为基底进行外延生长，最终实现Al-Si共晶离异生长，如图2所示。该发现为建立多场耦合调控共晶生长理论提供了关键切入点。
在探究PSPs细化机制的过程，本团队提出了如图3所示的溶质原子限制PSPs生长的机制：(1) 溶质原子容易钉扎在PSPs的生长前沿， 限制PSPs的生长；(2) 溶质原子会与剩余熔体中的Si原子形成金属间化合物，消耗Si原子，从而阻碍了更多的Si原子扩散至PSPs表面沉积，细化了PSPs。相关成果发表在: Acta Metall. Sin. Eng-Lett. 2024, 37(12): 2094-2105.
玻璃管吸铸A390合金中金属间化合物的TEM明场像及其选取衍射(a, b)；和溶质原子限制PSPs生长示意图 (c, d)
A390过共晶铝硅合金全离异化生长，颠覆了传统硅相细化范式，使得离异化结构展现出显著的性能优势。经650℃玻璃管吸铸的A390合金样品导热率达142.2 W/(m·K)（较相同条件下金属型铸造工艺提升30%），质量磨损率降低至19.57 (mg/(N·m)×10⁻⁵) （降幅42%），如图4所示。因而，Al-Si共晶凝固离异化实现了过共晶铝硅合金耐磨性和导热性的协同提升，为过共晶铝硅合金在高端领域的应用提供了一个新的视角。
该项目的凝固理论和技术体系为航空航天轻量化构件、新能源汽车动力部件及高密度电子封装器件等领域的先进铝合金材料制备提供了新的见解，对推动我国高端铝合金产业技术升级具有重要潜在战略价值。
成果展示
该项目受江苏省研究生实践创新计划资助，目前已发表SCI论文2篇，在投2篇（都处于返修已提交状态）。
审稿人：辛绍权