導(dǎo)讀：通過冷卻速率和Ni局部富集，研發(fā)了一種導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)190 W m?1K?1的新型高壓壓鑄鋁合金。

原文鏈接：A newly-developed high-pressure die-cast Al-1.5Fe-1Ni alloy with high thermal conductivity:Design,microstructure,and properties

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.04.044

摘要：本研究設(shè)計了一種新型高導(dǎo)熱高壓壓鑄Al-1.5Fe-1Ni合金，并深入探討其微觀組織與性能的內(nèi)在聯(lián)系。基于合金元素對鋁電阻率的影響及相圖分析，開發(fā)了Al-1.5Fe-x Ni（x=0、0.5、1、1.5）三元合金系列，系統(tǒng)研究鎳含量對微觀結(jié)構(gòu)及熱導(dǎo)率的影響。

結(jié)果表明：Al-1.5Fe-x Ni合金（x=0.5、1、1.5）在室溫下主要由Al和NiFe相構(gòu)成，可逆轉(zhuǎn)變?yōu)锳l?(Ni,Fe)相；鎳含量低于1 wt.%時合金呈亞共晶特性，而增至1.5 wt.%時出現(xiàn)針狀初級相。其共晶組織由纖維狀內(nèi)共晶相和層狀外共晶相構(gòu)成，形態(tài)轉(zhuǎn)變歸因于殘余液相中鎳元素的富集。制備的Al-1.5Fe-1Ni壓鑄合金從表面到中心的微觀結(jié)構(gòu)異質(zhì)，表層因冷卻速率差異形成不同圖案，對熱導(dǎo)率影響較小。

該合金展現(xiàn)卓越導(dǎo)熱性能（熱導(dǎo)率突破200 W/(m·K)）和塑性（伸長率超過15%）。新熱導(dǎo)率模型揭示，基體中溶質(zhì)濃度對熱導(dǎo)率存在顯著負(fù)面影響，而低溶質(zhì)濃度的初級α-Al晶粒有助于提升合金塑性。本研究為高導(dǎo)熱Al-Fe-Ni合金的微觀組織演變及微觀結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的理解提供了全新視角，對相關(guān)合金研發(fā)與應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。

背景：高壓壓鑄鋁合金散熱元件在汽車、電子和通信領(lǐng)域廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有HPDC Al-Si合金因流動性佳、機(jī)械性能優(yōu)，仍是散熱器首選，但ADC12合金導(dǎo)熱系數(shù)不足100 W/(m·K)，難符高熱導(dǎo)需求。優(yōu)化Al-Si合金熱導(dǎo)率的研究集中于成分調(diào)整與工藝控制，如降低硅含量、提高鎂含量，或添加Sr和稀土元素以改良共晶硅顆粒，提升熱導(dǎo)率至160–170 W/(m·K)。

加工參數(shù)方面，降低強(qiáng)化壓力、提高射速會因孔隙率增加而降低熱導(dǎo)率，而真空輔助HPDC技術(shù)有助于提升熱導(dǎo)率。不可熱處理壓鑄鋁合金因成本低、能避免大型部件熱處理變形，在Giga-Casting等領(lǐng)域備受關(guān)注，要求合金在鑄態(tài)下性能達(dá)標(biāo)。

然而，Al-Si合金中高硅含量導(dǎo)致電阻率上升，限制其熱導(dǎo)率提升，難以滿足更高要求，促使無硅鋁合金研發(fā)受到重視。鎳因低固溶度且能降低鋁電阻率，成為設(shè)計高導(dǎo)熱壓鑄合金的首選，但成本較高。

相比之下，鐵成本低、溶解度低，對提升導(dǎo)熱性有益，被視為鎳的潛在替代。研究表明，添加La、Co、Ce等元素能顯著提升Al-Fe合金導(dǎo)熱性。Al-Fe-Ni三元合金因其成本與性能優(yōu)勢，有望成為高導(dǎo)熱鋁合金的有力候選，但目前相關(guān)研究較少，尤其是HPDC工藝下。Al-Fe-Ni合金微觀組織的形成機(jī)制尚不明確，特別是共晶相的演變機(jī)制。既有關(guān)于Al-Fe-Ni合金的研究多關(guān)注耐熱性，對其微觀組織與熱導(dǎo)率關(guān)系的探討較少。

本研究基于合金元素對鋁電阻率及相圖的影響，重新設(shè)計Al-Fe-Ni三元合金成分，探究鎳含量對微觀組織及熱導(dǎo)率的影響，旨在開發(fā)HPDC Al-Fe-Ni亞共晶合金，為高導(dǎo)熱鋁合金的研究與應(yīng)用提供理論和實踐支持。

設(shè)計理念：圖1（a）和（b）展示了隨著鋁中單位質(zhì)量分?jǐn)?shù)合金元素的增加，固溶體/沉淀物中的電阻率變化趨勢[19]。合金元素對α-Al電阻率的影響顯著高于對沉淀物的影響。具體而言，元素Cu、Mg和Zn在α-Al中的最大溶解度較大，但對電阻率的不利影響相對較小。相比之下，元素Ti、V、Zr、Cr和Mn對電阻率有較大不利影響，在α-Al中的最大溶解度中等。元素Fe和Ni在α-Al中的最大溶解度較低，對電阻率有中等程度的不利影響。

為了深入揭示和比較不同合金元素對α-Al電阻率的影響，我們基于Matthiessen規(guī)則（方程（1））計算了α-Al中各種元素含量的實際電阻率[34]：根據(jù)最大溶解度的順序，從Ti到Ni（最大溶解度低于1 wt.%），假設(shè)這些元素完全溶解在基體中；從Zn到Si（最大溶解度高于1 wt.%），假設(shè)這些元素在基體中的溶解度限制為1 wt.%。圖1（c）顯示了排序結(jié)果，表明元素Ni、Zn和Fe的電阻率增加最小。Zn的低電阻率增加歸因于其對鋁固溶體電阻率的影響較小，這也導(dǎo)致其強(qiáng)化效果較低[35]。Fe對壓鑄合金的耐焊接性至關(guān)重要，因此選擇Fe和Ni作為設(shè)計高導(dǎo)熱性HPDC鋁合金的主要成分是合理的。

在本研究中，選擇Fe作為初級合金元素，Ni作為次級元素，開發(fā)用于壓鑄應(yīng)用的三元Al-Fe-Ni合金系統(tǒng)。為確保無硅鋁合金的鑄造性，選擇了約1.5 wt.%的近共晶Fe成分（Al-Fe二元系統(tǒng)的共晶點約為1.8%[36]）。隨后將Ni添加到Al-1.5Fe合金中。圖1（d）顯示了Al-1.5Fe-xNi合金在640°C至660°C溫度范圍內(nèi)的平衡相圖。選擇0.5 wt.%、1 wt.%和1.5 wt.%的Ni含量，涵蓋亞共晶到過共晶組成，以研究Ni含量對Al-Fe-Ni三元合金的影響，并確定最佳高導(dǎo)熱性成分。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ni含量低于1 wt.%時，形成初級α-Al和（α-Al+Al??M?，M=Fe和Ni）共晶。當(dāng)Ni含量為1.5 wt.%時，原生Al??M?沉淀，隨后形成（α-Al+Al??M?）共晶。圖1（e）顯示，隨著Ni含量的增加，凝固范圍（?T）增大。Ni含量低于1.5 wt.%的合金的凝固范圍低于10°C，表明其具有出色的鑄造性。

圖1.（a）合金元素在α-Al中的最大溶解度與鋁中每個質(zhì)量分?jǐn)?shù)合金元素在固溶體中電阻率增加之間的關(guān)系。（b）合金元素在α-Al中的最大溶解度與鋁中每個質(zhì)量分?jǐn)?shù)合金元素的析出物電阻率增加之間的關(guān)系。（c）絕對存在于基體中的合金元素對α-Al電阻率增加的影響。（d）Al-1.5Fe-x Ni合金的相圖。（e）Al-1.5Fe-x Ni合金的液相線溫度、固相線溫度和凝固范圍。

主要結(jié)果：

圖6.（a）Al-1.5Fe-x Ni合金的XRD結(jié)果。（b）Al-1.5Fe-x Ni合金在600°C以下的相圖。（c，e）Al-1.5Fe-0.5Ni合金中共晶相的形貌和（d，f）SAED結(jié)果。（g）內(nèi)共晶相和外共晶相之間的相界面，以及（h，i）Al-1.5Fe-1Ni合金的相應(yīng)SAED結(jié)果。（j）（h，i）中不同衍射點之間的取向關(guān)系。（k）邊界區(qū)域的HRTEM圖像。（l）Al-1.5Fe-1.5Ni合金中的共晶相，以及（m）相應(yīng)的SAED結(jié)果。（n）EBSD掃描結(jié)果和（o）初級相的相位分布。（p）Al-1.5Fe-x Ni合金的相形成過程表。

Fig.7.(a)3D distribution of primary Al9NiFe phases with different lengths in the Al-1.5Fe-1.5Ni alloy.Different morphologies of the Al9NiFe phase in(b–d)3D and(b1–d1)2D views.(e)The relationship between the Feret shape factor and the length of primary Al9NiFe phases.(f)The relationship between the shape factor and the length of primary Al9NiFe phases.(g)The number distribution of lengths of primary Al9NiFe phases.(h)The number distribution of breadths of primary Al9NiFe phases.

Fig.9.(a)The SAED pattern of the eutectic Al9NiFe phase along the zone axis.(b)The HRTEM image of the eutectic Al9NiFe phase along the zone axis,with IFFT lattice fringes corresponding to(b1)the(001)plane and(b2)the(120)plane.(c)The HAADF-STEM image of the eutectic Al9NiFe phase along the zone axis.(d)The four-layer M(Fe or Ni)atomic configuration of the Al9NiFe phase along the zone axis.(d1)The single layer(layer 1)of the atomic configuration of the Al9NiFe phase.

Fig.13.(a)Properties of the HPDC Al-1.5Fe-1Ni alloy at room temperature.(b)Comparison of thermal conductivity and yield strength among different HPDC Al alloys[5,14,[52],[53],[54]].(c)Schematic of the thermal infrared imaging device.(d)Thermal infrared images of HPDC Al-1.5Fe-1Ni and ADC12 plate samples at differen

Fig.16.(a)The effect of Fe concentration inα-Al on the thermal conductivity of die-cast Al-Fe-Ni alloys.(b)The effect of Ni concentration inα-Al on the thermal conductivity of die-cast Al-Fe-Ni alloys.(c)The effect of Si concentration inα-Al on the thermal conductivity of die-cast Al-Si alloys.(d)The effect of ESCs-αandαon the thermal conductivity of die-cast Al-Fe-Ni alloys.(e)The effect of the eutectic fraction on the thermal conductivity of die-cast Al-Fe-Ni alloys.(f)Calculated and experimental results of thermal conductivity for die-cast and gravity-cast Al-1.5Fe-1Ni alloys.(g)The contribution of Al solution and secondary phases to the decrease in thermal conductivity of die-cast and gravity-cast Al-1.5Fe-1Ni alloys.(h)Comparison of the contributions ofα-Al in gravity casting,ESCs-αin die casting,andαin die casting to the thermal conductivity.(i)The contribution of ESCs-αandαto the decrease in thermal conductivity of die-cast Al-1.5Fe-1Ni alloys.

結(jié)論：本研究基于合金元素對鋁電阻率及相圖的影響，首選Fe和Ni重構(gòu)Al-Fe-Ni三元合金成分，并探究Ni含量對微觀組織及熱導(dǎo)率的作用。進(jìn)而開發(fā)新型HPDC Al-1.5Fe-1Ni亞共晶合金，剖析其微觀結(jié)構(gòu)分布及微觀組織與熱導(dǎo)率、機(jī)械性能的關(guān)聯(lián)。

研究結(jié)論如下：

1.重力鑄造下，Al-1.5Fe-xNi合金（x=0.5、1、1.5）的第二相為Al?NiFe相，源于Al固態(tài)轉(zhuǎn)變。Ni含量達(dá)1.5 wt.%時，合金現(xiàn)針狀初級相。

2.重力鑄造的Al-Fe-Ni合金中，共晶Al?NiFe相內(nèi)纖維共晶相與外層狀共晶相，由Ni富集驅(qū)動。特別是Al-1.5Fe-xNi合金（x=1、1.5），元素富集致層狀A(yù)l?NiFe相直結(jié)于共晶邊界。

3.HPDC Al-1.5Fe-1Ni合金微觀組織由初級α-Al（含模腔ESC-α及α）和（Al?NiFe+α-Al）共晶構(gòu)成，呈現(xiàn)表層、中心富ESC-α區(qū)等異質(zhì)結(jié)構(gòu)。中心Al?NiFe相較表層更粗。

4.HPDC Al-1.5Fe-1Ni合金表皮層多樣，歸因于冷卻速率差異。高冷卻速率增表皮層區(qū)域，極高冷卻速率下，芯片壁近液易共晶耦合。

5.該合金導(dǎo)熱超190 W/(m·K)，伸長率超15%。表皮層對導(dǎo)熱影響甚微。壓鑄合金熱導(dǎo)率模型顯示，溶質(zhì)濃度顯著抑制熱導(dǎo)率，縮孔率促裂紋萌擴(kuò)展。軟質(zhì)初級α-Al（尤其是ESCs-α）利于合金變形，賦予高伸長率。