亚共晶Al-Si系合金因其优异力学性能和铸造性能，在交通运输、航空航天、5G通讯等军事或民用领域获得广泛应用。通过向亚共晶Al-Si合金中引入溶质元素Mg，利用Mg₂Si的沉淀相强化机制所衍生的Al-Si-Mg系合金，如ZL101A、ZL114A铝合金，则进一步拓宽了合金的服役范围。我国现行国标对上述牌号合金中的Ti元素成分作出了明确规定。例如，ZL101A合金中Ti的质量分数应大于等于0.08 wt.%，而ZL114A合金中Ti的质量分数应大于等于0.10 wt.%。这源于Ti元素作为晶粒细化中的基础性元素，在改善亚共晶Al-Si合金的组织与性能方面发挥了一定作用，其作用机理和使用方法也备受关注和研究。但过高的Ti含量会导致性能恶化、新增工艺难题、提高材料成本，不利于亚共晶Al-Si系合金的高质量发展。因此，Ti对该类合金的影响需要全面分析与评价，其应用措施也亟待进一步优化。

· 总结不同应用场景下，亚共晶Al-Si合金的晶粒尺寸、力学/铸造性能受Ti含量变化的影响。

· 揭示出Al-Si合金形核区域中富Ti区的形成机理，以及Ti对力学性能的影响机制。

· 提出Ti元素在亚共晶Al-Si系合金的优化策略，即引入少量Al-TBC晶种合金，实现微量Ti环境的晶粒细化性能强韧化。

Fig. 1. (a) Al–TCB晶种合金的形状外观. (b, c) Al–TCB晶种合金和Al–5Ti–1B 中间合金的光镜组织. (d) Al–TCB晶种合金和Al–5Ti–1B 中间合金的XRD谱图. (e, f) Al–TCB晶种合金的电镜组织. (f1–f3) Al–TCB晶种合金的EDS点分析结果. (g) Al–TCB晶种合金中粒子的电镜照片. (g1–g3) Al–TCB晶种合金中粒子的EDS线分析. (h–h3) TCB复合体的电子探针结果。

·用于构建不同应用场景的中间合金中，Al-TCB晶种合金相较Al-5Ti-1B合金含有更少的TiAl₃。同时，Al-TCB晶种合金中的粒子均存在掺杂特性，即：掺杂微量C元素的TiB₂和掺杂微量B元素的TiC。

Fig. 2. (a) 不同细化环境下Al–7Si合金的初α-Al晶粒尺寸随Ti含量的变化. (b–b2) 空白组中不同Ti含量 (0%, 0.10% 和0.20%) 的EBSD晶粒重构图. (c–c2) ATB组中不同Ti含量 (0%, 0.10% 和0.20%) 的EBSD晶粒重构图. (d–d2) TCB组中不同Ti含量 (0%, 0.10% 和0.20%) 的EBSD晶粒重构图。

·亚共晶Al-Si合金的晶粒尺寸并不总受益于Ti含量的增加，特别是在引入中间合金的环境中。

Fig. 3. (a–a2) 空白组中UTS、EL和Q.I.随Ti含量的变化. (b–b2) ATB组中UTS、EL和Q.I.随Ti含量的变化. (c–c2) TCB组中UTS、EL和Q.I.随Ti含量的变化。

·亚共晶Al-Si合金的力学性能在Ti含量为0.1wt.%时取得峰值，继续提高Ti含量，将导致性能、特别是延伸率和质量指数的骤降。

Fig. 4. (a) 工程应力应变曲线及 (b) 不同组别的质量指数。

·各组别力学性能的横向对比显示，微量Ti元素与Al-TCB晶种合金相配合，可实现明显的强塑性同步提升。

Fig. 5. (a) 流动性测试设备示意图. (b) 各组流动性试样对比. (c) (b)中流动性试样长度的统计曲线. (d) 空白组中不同Ti含量下的凝固曲线. (e) ATB组中不同Ti含量下的凝固曲线. (f) TCB组中不同Ti含量下的凝固曲线。

·亚共晶Al-Si合金的流动性，同样在Ti含量为0.1wt.%时取得峰值。

Fig. 6. (a) Al–7Si–0.1Ti合金中C-TiB₂形核衬底的电镜照片. (b–b3) C-TiB₂形核区域的电子探针结果. (c, c1) ATB组中TiB₂粒子的高倍电镜照片及其Ti元素分布. (d, d1) TCB组中C-TiB₂粒子的高倍电镜照片及其Ti元素分布. (e) Al–7Si–0.1Ti合金中TiB₂形核衬底的电镜照片. (f–f3) TiB₂形核区域的电子探针结果. (g–g3) C-TiB₂粒子的EDS线分析. (h) 形核区域中Ti分布形式的示意图。

·引入中间合金促进异质形核时，亚共晶Al-Si合金的形核衬底周围存在富Ti区。

Fig. 7. (a) Al–7Si–0.3Ti合金中Ti(Al, Si)₃的典型形貌; (a1–a4) Ti(Al, Si)₃相的EDS分析; (b, c) 形核衬底与三元相的“附着”现象. (d–d5) “附着”区域的EDS分析. (e) Al–7Si–0.1Ti 合金熔体的高温XRD谱图. (f) “附着”现象产生示意图。

·过高Ti含量环境下，三元Ti(Al, Si)₃相在650℃开始析出，最终形貌呈板片状。高Ti环境下，其析出将剥夺富Ti区对形核区域的保护作用。

Fig. 8. (a–a2) 空白组在0.02T、0.10Ti和0.18Ti下的微观组织; (b–b2) ATB组在0.02T、0.10Ti和0.18Ti下的微观组织; (c–c2) TCB组在0.02T、0.10Ti和0.18Ti下的微观组织。

Fig. 9. (a–a5) 不同固溶时间下含Si分散体的光镜照片; (b) (a–a5)中各组的硬度及导电率统计图; (c, c1) 含Si分散体的电镜照片。

·亚共晶Al-Si合金的组织中，随Ti含量增加出现明显的含Ti、Si相的不均匀分布。

Fig. 10. (a–f1) 铸态和热处理态在不同Ti含量的微观组织及其元素分布图 (元素分布图由Al分布图和Ti分布图合并). (g) 不同固相比下Ti的浓度再分配曲线及晶粒内含Si分散体的分布情况, (h) 含Si分散体和无扩散区的 光镜照片。

·含Ti、Si相的不均匀分布不随热处理改变，其形成源于过高浓度下的溶质再分配，且易成为拉伸过程中的断裂处。

Fig. 11. (a) Al–7Si–0.3Ti合金中Ti(Al, Si)₃的典型形貌; (b1–b3) Ti(Al, Si)₃相的EDS分析. (c–c2) Al-Si合金中共晶Si周围的微观裂纹. (d, e) Al基体、共晶Si和Ti(Al, Si)₃相的三维图. (f) Al基体、共晶Si和Ti(Al, Si)₃相的载荷-位移曲线. (g) Al基体、共晶Si和Ti(Al, Si)₃相的平均硬度、弹性模量和压痕深度。

·Ti(Al, Si)₃相的物理性质与共晶Si相似，为脆性相，易成为微观裂纹的萌生处。

Fig. 12. 空白组 (a)和TCB组(b)的泰勒因子分布图及统计图. 空白组 (a)和TCB组(b)沿拉伸方向的IPF图。

Fig. 13. 拉伸断口(Ti含量为0.06 wt%)的电镜照片及EDS分析: (a–a2)空白组, (b–b2) ATB组, 及 (c–c2) TCB组。

Fig. 14. (a–a3) 未引入TCB时Al–7Si–0.45Mg–0.06Ti的BF及EDS分析. (b) 未引入TCB时β″相的HRTEM和FFT. (c–c3) 引入TCB后Al–7Si–0.45Mg–0.06Ti的BF及EDS分析. (b) 引入TCB后β″相的HRTEM和FFT。

·在不改变时效相析出特点的同时，Al-TCB晶种合金与微量Ti的配合有利于晶粒在拉伸过程中转动，发生多晶体塑性变形；而因晶粒细化导致的第二相分布也更离散，从而实现了目标合金的性能强韧化。

· 亚共晶Al-Si系合金的晶粒细化并非总受益于Ti元素的增加。使用Al-5Ti-1B中间合金或Al-TCB晶种合金时，Ti含量为0.1 wt%即可取得最佳晶粒细化效果，继续增加Ti含量对晶粒细化没有积极影响。

· Ti元素对亚共晶Al-Si系合金的流动性和力学性能存在两面性。Al-Si-Mg系合金在Ti含量为0.1 wt%时，即可获得最佳的流动性和力学性能。而Ti含量超过0.1 wt%时，力学性能和流动性的降低与Ti(Al,Si)₃的形成直接相关。因此，建议ZL101A和ZL114A铝合金中Ti含量应≤ 0.1 wt%。

· Al-TCB晶种合金和适量Ti配合可实现亚共晶Al-Si-Mg合金的强塑性协同提升。经T6热处理后，合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率为370.0 MPa、305.0 MPa和13.8 %，相较于不引入时分别提升7.2 %、5.2 %和106.9 %。

· 山东大学刘相法教授：

刘相法，山东大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，国务院政府特殊津贴专家，泰山学者，泰山产业领军人才，团队获首届“山东省科技领军人才创新工作室”称号。刘相法教授带领的微纳晶种技术与高性能铝合金团队，从液态金属团簇演变与调控出发，研制轻质合金材料用纳米晶种合金、耐热高强铝合金及超级铝合金等新材料。多年来一直注重原始基础创新和科技成果转化，发明了Al-P系、Al-B-C(N)系和Al-Ti-C-B(N)三大系列晶种合金，在国内外率先研制耐热高强、耐热耐磨、耐热高导和超强中温耐热四大系列耐热高强铝合金新材料体系。发明产品广泛应用于交通运输、航空、航天、电力、电子等行业中轻合金核心零部件制造及其加工，产品以其独一无二的创新优势在全国24个省市100多家铝合金加工企业应用，并大批量出口意大利、德国、法国、土耳其、韩国等15个国家。孵化的企业连续四次被评为山东省高新技术企业。授权中国发明专利28项，转化18项；获国家技术发明四等奖2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，省部级技术发明二等奖3项；制定国家标准3项，出版专著2部，发表SCI收录论文240余篇。

团队网站：http://www.nfalloys.com 

· 西安交通大学刘思达教授：

刘思达，西安交通大学航天航空学院教授，博士生导师，国家级青年人才。西安交大“先进材料和结构多尺度力学与智能设计”团队（负责人：刘益伦教授）与山东大学“微纳晶种技术与高性能铝合金团队”（负责人：刘相法教授）成员。长期致力于基于数据驱动的轻质合金材料设计与性能开发。主持国家青年人才、国自然面上与青年等多项课题。以一作/通讯作者身份在Chemical Reviews、Science Advances、Acta Materialia等发表论文，共发表SCI论文40余篇，授权国家发明专利4件。担任MRL、JMST等中科院一区期刊的青年编委。

所在团队负责人介绍：刘益伦，清华大学学士、博士，西安交通大学航天航空学院副院长，获国家杰出青年科学基金资助，入选“万人计划”青年拔尖人才。参与获国家自然科学二等奖、国家级教学成果奖一等奖。从事先进材料多尺度力学及智能化设计研究，并基于机器学习发展了金属结构材料智能设计方法。相关工作发表在Science、Nat. Commun.、JMPS、IJSS、JAM等知名期刊。