1. 研究背景
在全球 “双碳” 目标推动下，铝合金回收利用成为降低行业能耗与碳排放的关键路径。与原生铝生产相比，再生铝能耗仅为前者的 7%，但再生过程中易积累铁（Fe）、硅（Si）等杂质元素。在 Al-Cu 系再生合金中，过量 Fe 会形成 Al₃(CuFe)、β-Al₇Cu₂Fe（β-Fe）、α-Al₁₅Fe₃(SiCu)₂（α-Fe）等富铁金属间化合物，这些相多呈针状、板状或复杂的 “汉字状” 形态，易导致合金界面应变不协调，降低了铸造性能与力学性能。
现有研究多依赖传统离线表征，难以捕捉凝固过程中富铁相的动态演化规律。为实现高 Fe 含量再生铝的高效利用，需精准调控富铁相的形核、生长及最终形态，通过原位表征与模拟技术揭示富铁相的 4D（3D 空间+时间）演化机制，并探索绿色调控手段（如超声熔体处理），成为再生铝材料研发的研究热点之一。英国赫尔大学米佳伟和昆明理工大学李萌蘖的研究团队通过同步辐射X射线衍射、JMatPro 软件、断层扫描成像及机器学习等合金相识别的策略，研究了典型再生 Al5Cu1.5Fe1Si 合金在有无超声波作用下的凝固过程，包括成核、共生长及树枝晶与多金属间相间的动态相互作用。
2、实验方法
2.1.合金和样品
Al5Cu1.5Fe1Si合金（∼500 g）的制备方法如下：将462.5克纯铝（99.9 %）、25克纯铜（99.99 %）、7.5克纯铁（99.99 %）和5克纯硅（99.99%）置于氧化铝坩埚中熔炼（坩埚内壁喷涂有氮化硼涂层）。首先将铝熔体在900°C下保持2小时，使铁和硅完全溶解并实现成分均质化。随后通过专用反重力铸造装置将合金熔体温度降至∼720°°C，并抽入石英管（规格为Φ2×10毫米），最终形成圆形棒状样品。
2.2.实验装置与同步辐射X射线
本研究采用同步辐射X射线断层扫描技术原位观察合金的凝固全过程，在欧洲同步辐射光源（ESRF）ID19光束线完成实验，图1所示为实验装置的配置，该系统由三大部分构成：(1)超声波发生器（UP100H型，工作频率30千赫，振幅调节范围20%-100%，特制铌质超声换能器（尖端直径2毫米，长度74毫米）；(2)上下两组小型电阻炉；(3)特殊哑铃形石英管样品架。
图1 同步辐射X射线断层扫描实验的实验装置和专用石英样品架示意图
3. 合金相组成与转变计算分析
研究团队首先采用 JMatPro 软件（Scheil-Gulliver 模型）计算了 Al5Cu1.5Fe1Si 合金的凝固相转变演变，为实验分析提供理论基础。如图2（a）所示，液相线温度约为 632℃，首个析出相为 α-Al。随温度降至 615.6℃，α-Fe 相（Al₁₅Fe₃(SiCu)₂）开始形成；565.3℃时，β-Fe 相（Al₇Cu₂Fe）析出。525.7℃时，Al₂Cu 相出现；室温平衡相组成为 α-Al、Al₃Fe、α-Fe、β-Fe 及 Al₂Cu，未检测到亚稳相 Al₆Fe（需特定温度区间与时间完成转变）。图2（b）所示为未使用超声波处理时凝固阶段的同步辐射X射线衍射强度谱（750-300°C范围）。图2（c）所示为630-500°C波段的衍射图谱，而图2（d）则对图2（c）中虚线框区域进行了放大分析。通过将原位衍射结果与JMatPro计算结果进行对比，实测衍射谱中未检测到Al6Fe相，这表明在凝固过程中发生了轻微的非平衡相变。Al6Fe相属于典型的亚稳态相，在狭窄的温度区间（即605-600°C）内需要足够时间才能完成转变过程。
图2 JMatPro®与原位同步辐射X射线衍射：(a)JMatPro®的Scheil-Gulliver模型计算获得Al5Cu1.5Fe1Si合金在凝固过程中的相变顺序；(b) 原位同步辐射X射线衍射强度图；(c) 提取的衍射光谱，重点展示630至500°C的温度区间；(d)虚线框区域内的光谱再次放大，以更清晰地展示不同相的外观。
4. 原位X射线断层扫描和机器学习揭示多相的动态形态演变
4.1 原位X射线衍射开展相演变研究
通过实时采集的同步辐射X射线断层扫描数据，直观呈现合金凝固过程中多相动态形貌演变。图3和图4展示了在未超声波熔融加工（USMP）与超声波熔融加工两种情况下的临界温度下，经机器学习分割重建的二维断层扫描切片，追踪并研究各相的成核与生长动力学过程。
图3 在没有USMP的情况下，Al5Cu1.5Fe1Si合金在某些临界温度下的典型机器学习处理的断层扫描切片
图4 在USMP固态化过程中，Al5Cu1.5Fe1Sialloy在临界温度下的典型机器学习处理断层扫描切片
4.2 富铁相形核与生长动力学研究
为展示铁元素形态演变过程，提取了若干典型铁相进行分析，如图5和6所示为未添加USMP何添加USMP合金的不同铁相的三维形貌演变过程。
图5 未添加USMP合金中三种不同铁相的三维形貌演变过程
图6 USMP合金中两种不同铁相的三维形貌演变
4.3 声压、熔体流动和温度场的建模与模拟
如图7所示，为获取超声脉冲熔融（USMP）对液态熔体影响的定量数据，通过超声压力场、熔体流场与温度场的耦合模拟，证实超声处理通过增强对流抑制溶质偏析，提高形核率，同时缩小 α-Al 枝晶间距（从 10-60 μm 降至 20-30 μm），限制富铁相生长空间，最终形成细小紧凑的富铁相集群。
图7 多物理场模型级及模拟结果：(a) 计算域和网格结构以及边界条件；(b) P2处计算温度分布与实验测量温度分布的对比，以及一些关键温度点的温度分布；(c)和(d) USMP期间及之后P1和P2处的模拟压力和流体流动速度分布；(e)和(f) 大约半个超声周期内压力场和流体流动速度矢量的演变。所示数据为10c和d中红色虚线矩形内的数据。
5. 结论
本研究通过 JMatPro 热力学计算、同步辐射 X 射线原位表征与机器学习分析，首次完整揭示了再生 Al5Cu1.5Fe1Si 合金中富铁相的 4D 演化机制，α-Fe 相通过菱形十二面体核→骨架分支→“汉字状” 集群的路径生长，受晶体各向异性与溶质扩散控制；超声熔体处理可通过强化对流与形核，显著细化 α-Al 枝晶与富铁相，是一种高效绿色的调控手段；该研究为高 Fe 再生铝的性能优化提供了从热力学模拟到工艺调控的全链条解决方案，助力再生铝产业的低碳发展。
在再生铝合金富铁相动态演化研究里，JMatPro 软件基于热力学模型，对合金的平衡相组成进行精准计算。在研究 Al5Cu1.5Fe1Si 合金时，通过 JMatPro 软件的 Scheil - Gulliver 模型，研究团队清晰地确定了该合金在不同温度区间的相转变序列。从 632℃时 α - Al 率先析出，到 615.6℃时 α - Fe 相（Al₁₅Fe₃(SiCu)₂）开始形核，接着 565.3℃时 β - Fe 相（Al₇Cu₂Fe）出现，最后 525.7℃时 Al₂Cu 相形成 。这一精确的相转变预测，为后续实验方案的设计提供了坚实的理论基础，使得研究人员能够有的放矢地在关键温度节点开展原位同步辐射 X 射线衍射实验，验证模拟结果的同时，深入探究富铁相的动态演化机制。
参考文献：[1] K Xiang，L Qin，Y Zhao，S Huang，W Du，E Boller，A Rack，M L Li（李萌蘖），J W Mi（米佳伟）.Operando study of the dynamic evolution of multiple Fe-rich intermetallics of an Al recycled alloy in solidification by synchrotron X-ray and machine learning[J].Acta Materialia, 2024, 279(000):14.DOI:10.1016/j.actamat.2024.120267.
关于JMatPro
JMatPro软件包含一系列宽范围的合金类型，目前可以计算的合金类型包含铝合金、镁合金、铸铁、不锈钢、高中低合金钢、钴合金、镍基合金、镍铁基合金、镍基单晶超合金、钛合金、锆合金、焊料合金（锡焊）、铜合金。
JMatPro的应用范围：
1、可为热力学计算等基础研究提供参考；
2、辅助科研人员进行合金设计；
3、辅助科研人员进行材料加工工艺设计（如铸造、锻造、挤压等）；
4、辅助科研人员进行热处理与焊接工艺设计；
5、预测材料材料各种性能，从而可以大量节省项目时间与实验费用（尤其是高温性能）；
6、能为许多材料成型 CAE 软件提供材料性能参数（如：Procast、Magma、Deform、TherCast、Novacast等）；
7、能够为其他CAE软件提供材料性能参数（如Sysweld、Abaqus、Ansys、MSC/Marc等）；
8、提供API接口，利用程序语言调用软件完成计算，方便将软件计算功能与其他软件、应用进行整合。
9、提供MPO材料优化设计，通过多目标优化算法，快速优化获得满足设计要求的材料成分。
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