铝合金车轮作为汽车轻量化核心部件，低压压铸（LPDC）是其主流成型工艺，目前行业普遍采用AlSi7Mg0.3（A356）合金，但该合金在凝固区间、强度调控、铸造缺陷控制方面仍有优化空间。传统合金研发依赖反复试错，周期长、成本高，难以适配汽车轻量化快速迭代的需求。
针对这一行业痛点，土耳其多库兹埃伊尔大学冶金与材料工程系T. Yağcı等研究人员联合车轮制造企业，依托JMatPro等计算平台，采用新一代计算材料工程（CME）方法，针对低压压铸车轮用Al-Si系合金开展成分优化设计，精准模拟合金凝固特性、热物性与力学性能，结合工业化试生产验证，成功开发出AlSi5、AlSi9两款替代合金，构建了“虚拟模拟预判+工业化验证”的高效研发模式，为压铸铝合金轻量化设计提供了全新路径。
1 研究背景
汽车低压压铸车轮对合金性能要求严苛，需兼顾轻量化、高强度、优良铸造性与耐蚀性。当前商用AlSi7Mg0.3合金虽应用广泛，但存在凝固区间较宽、显微偏析倾向大、力学性能提升受限等问题；而传统合金开发模式需大量熔炼、压铸、测试实验，研发周期长达数月，试错成本极高。
计算材料工程（CME）依托JMatPro等专业软件，可在虚拟环境下完成合金成分设计、热力学计算、性能预测，提前锁定最优方案，大幅缩减实验量。其中JMatPro凭借精准的铝合金数据库，可高效计算合金液固相线、凝固区间、粘度、密度、力学性能等关键参数，成为压铸合金研发的核心工具，破解传统研发模式的瓶颈。
2 试验方案
2.1 合金成分设计
本研究以商用AlSi7Mg0.3合金为基准，固定Mg含量0.3wt%，设计3组不同Si含量的亚共晶Al-Si合金，分别为AlSi5、AlSi7（基准）、AlSi9，通过JMatPro开展虚拟成分建模与热力学计算，具体虚拟成分与实测成分如下表所示。
表1 压铸车轮用Al-Si系合金虚拟设计与实测成分
2.2 模拟与验证方法
以JMatPro等软件为核心计算工具，基于CALPHAD相图计算法，设定25-800℃温度区间，计算3组合金的液固相线温度、凝固区间、熔体粘度、密度等参数，同步预测铸态屈服强度、抗拉强度等力学性能，构建合金性能数据库。
在商用低压压铸生产线开展试生产，浇注温度统一设为745℃，模具、冷却压力、压铸周期等参数保持一致，制备3组合金车轮试样；采用金相显微镜、SEM-EDS、力学性能测试仪等设备，检测显微组织、枝晶间距（DAS）、抗拉强度、延伸率、硬度，对比验证JMatPro模拟结果的准确性。
3 核心成果
3.1 热力学与凝固特性模拟结果
JMatPro模拟显示，随着Si含量从5%提升至9%，合金液相线温度从630.07℃降至602.92℃，固相线温度无明显波动（552-555℃）；凝固区间大幅收窄，AlSi5合金凝固区间73.1℃，AlSi9合金仅31.8℃，有效降低显微偏析、缩松等压铸缺陷风险。
图1 使用JMatPro软件计算的合金固相线和液相线温度
平衡相计算表明，室温下合金主要由α-Al基体与共晶Si相组成，Si含量升高会使α-Al相含量从96.34%降至90.99%，共晶Si相含量从2.50%升至8.51%，相组成变化规律与后续金相检测完全吻合。此外，JMatPro还精准预测了熔体粘度、密度随温度的变化规律，为压铸工艺参数（浇注速度、冷却速率）优化提供了数据支撑。
3.2 力学性能模拟与实测对比
JMatPro模拟预测，铸态下合金屈服强度、抗拉强度随Si含量升高稳步提升：AlSi5屈服强度83MPa、抗拉强度137MPa；AlSi9屈服强度93MPa、抗拉强度152MPa。工业化实测数据与模拟值高度契合，误差不超过3%，证实JMatPro模拟结果具备极高的工程可靠。
图2 使用JMatPro软件计算的铸态合金的屈服强度和抗拉强度值
同时，Si含量优化可细化显微组织，枝晶间距（DAS）随Si含量升高逐渐减小，车轮法兰等薄壁区域DAS值最低至10.85μm，晶粒细化进一步提升合金强度与韧性，兼顾了铸造流动性与力学性能。
3.3 显微组织验证结果
金相与SEM-EDS检测显示，3组合金经AlTi5B1晶粒细化、AlSr10变质处理后，共晶Si相呈纤维状均匀分布，无粗大针状组织；Si含量越高，共晶Si分布越弥散，α-Al枝晶越细密。Mg元素在铸态下均匀分布，无Mg₂Si相析出，经T6热处理后可形成强化相，进一步提升合金性能。
图3 合金的SEM-EDS结果
4 结论与讨论
本研究旨在借助新一代冶金材料工程方法——计算材料工程（CME），开发适用于低压压铸（LPDC）车轮生产的铸造铝合金。研究结果表明，通过计算材料工程分析，可在实际浇注前，预判影响铸件质量与使用性能的合金微观组织及力学性能特征。
借助JMatPro等软件，本研究获取了铝制车轮压铸过程中关键参数数据，包括合金密度、临界相变温度、熔体粘度、热物性参数及凝固特性等。针对可替代商用AlSi7Mg0.3合金的亚共晶、可热处理型AlSi5Mg0.3与AlSi9Mg0.3合金，结合实际成分检测与材料分析，梳理了其热物性、微观组织及力学性能的详细数据，供学界与工业界参考。
参考文献：[1] Yağcı T, Cöcen Ü, Çulha O. Aluminum Alloy Development for Wheel Production by Low Pressure Die Casting with New Generation Computational Materials Engineering Approaches[J]. Archives of Foundry Engineering, 2021, 21(4): 35-46.
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