郭加林，羅 干，杜 軍，周明君

(1.廣東華昌集團有限公司，廣東 佛山 528225；2.華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

以5G為代表的通信技術(shù)正快速發(fā)展，用Al-Si基合金(ADC12等)壓鑄生產(chǎn)的散熱器件難以滿足高功率電子器件的散熱要求[1-2]，少Si(質(zhì)量分?jǐn)?shù)少于2%)甚至無Si的鋁合金成為當(dāng)前高導(dǎo)熱鑄造鋁合金研究與發(fā)展的主要方向之一[3-5]。鐘鼓等[6]報道Al-1Si-1Fe-1Zn合金的熱導(dǎo)率是ADC12合金的兩倍；Shin等設(shè)計Al-xMg-1Fe-0.5Si和Al-xSi-1Fe-1Zn兩種系列合金的熱導(dǎo)率比ADC12合金的高70 W/(m·K)～90 W/(m·K)。但上述合金均遠(yuǎn)離共晶組分，鑄造流動性差，限制其在壓鑄領(lǐng)域推廣應(yīng)用。Fe和Ni在α-Al中的固溶度低，且Al-1.75Fe-1.25Ni合金具有較低的共晶溫度(640 ℃)，具有與ADC12鋁合金相當(dāng)?shù)牧鲃有院蛢?yōu)異的導(dǎo)熱率性(熱導(dǎo)率λ>200 W/(m·K))，有望取代傳統(tǒng)的Al-Si基合金制備高導(dǎo)熱壓鑄散熱器件[7]。

作者所在團隊采用普通鑄造法制備了Al-1.75Fe-1.25Ni(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%，下同)共晶合金，其熱導(dǎo)率可達(dá)到208 W/(m·K)，微觀組織呈現(xiàn)為粗大的連續(xù)分布共晶組織形貌，但是其抗拉強度僅為131 MPa。稀土元素Yb可同步改善其導(dǎo)熱和力學(xué)性能，可分別提升至211 W/(m·K)和152 MPa[8]。但是稀土元素Yb價格昂貴，因此開發(fā)低成本技術(shù)實現(xiàn)Al- 1.75Fe-1.25Ni合金鑄件的組織改善和性能提升較為迫切。機械振動具有細(xì)化晶粒、凈化熔體以及均勻組織等特性[9-11]，可使鑄件的組織得到細(xì)化，使其綜合性能得到提升。本課題通過引入機械振動以期改善該合金中共晶組織的形貌及其分布，為進(jìn)一步提升高導(dǎo)熱Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金的綜合性能以及擴寬其應(yīng)用范圍提供實驗基礎(chǔ)。

1 實驗過程

利用工業(yè)純鋁、Al-20Fe和Al-10Ni中間合金按成分要求配制Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金。利用石墨坩堝在井式電阻爐熔煉，合金總質(zhì)量約為500 g，熔化溫度720 ℃。將澆鑄模具預(yù)熱至200 ℃，并固定于亞新FP3振動臺，鋁合金熔體經(jīng)精煉、扒渣后澆注并在振動條件下完成凝固，制備成100 mm×60 mm×15 mm的板狀鑄錠。振動頻率依次設(shè)置為0、100 Hz、150 Hz和200 Hz。在鑄錠中部(距底部10 mm處)采用電火花線切割法截取試樣用于微觀組織觀測。該觀測樣品經(jīng)過打磨、拋光后采用體積分?jǐn)?shù)0.5%的HF酸水溶液腐蝕。采用Zeiss Gemini 300型掃描電鏡觀察不同頻率振動鑄造的Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金錠塊的微觀組織變化情況。在鑄錠中部相同位置截取啞鈴狀拉伸試樣，并在AG-X100kN型電子萬能材料試驗機上進(jìn)行力學(xué)性能測試。使用Zeiss Gemini 300型掃描電鏡分析拉伸斷口形貌。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 振動鑄造對合金鑄態(tài)微觀組織的影響

圖1所示為未施加振動鑄造的Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金鑄錠的光學(xué)顯微組織和XRD圖譜。

圖1 Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金未施加振動鑄錠試樣的光學(xué)顯微組織和XRD圖譜Fig.1 The microstruction and XRD pattern of Al-1.75Fe-1.25Ni eutectic alloy ingot samples without vibration

其物相主要有α-Al和Al9FeNi，其組織(α-Al+Al9FeNi)呈現(xiàn)典型的共晶形貌。未施加振動條件合金鑄態(tài)組織呈現(xiàn)粗大且連續(xù)分布的共晶形貌。圖2所示為施加不同頻率振動鑄造的Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金鑄錠的光學(xué)顯微組織。機械振動使合金的微觀組織有顯著的變化，完全共晶形貌的(α-Al+Al9FeNi)組織向初生α-Al和(α-Al +Al9FeNi)共晶組織轉(zhuǎn)變，而且共晶組織有明顯的細(xì)化。此外，α-Al相的面積占比隨著振動頻率的增加而逐漸增大，其二次枝晶間距逐漸減小。當(dāng)振動頻率由100 Hz增加至200 Hz時，其二次枝晶間距由40 μm逐漸減小至15 μm。

圖2 施加不同振動頻率鑄造的Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金鑄錠的顯微組織Fig.2 Microstructures of Al-1.75Fe-1.25Ni eutectic alloy ingots cast with different vibration frequencies

圖3所示為有、無施加振動鑄錠試樣深腐蝕(用體積分?jǐn)?shù)為5%的硝酸水溶液腐蝕30 min)的SEM組織。未振動的試樣共晶組織內(nèi)部呈現(xiàn)纖維形貌，其邊緣主要以塊狀的形式存在(圖3a)；而施加振動試樣組織中典型的共晶組織變?yōu)槌跎?Al相和共晶組織。

圖3 Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金有、無振動鑄造的鑄錠的SEM顯微組織Fig.3 SEM microstructures of Al-1.75Fe-1.25Ni eutectic alloy ingots cast with or without vibration

常規(guī)凝固條件下，Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金應(yīng)僅發(fā)生共晶反應(yīng)，形成(α-Al+Al9FeNi)共晶組織。而施加機械振動后，鋁合金熔體內(nèi)產(chǎn)生空化作用，熔體內(nèi)形成的大量空化泡逐漸長大并破裂后將被周圍熔體填充，在微區(qū)形成局部壓力[11]。根據(jù)Clausius- Clapeyron公式[12]：

(1)

式中：

dP—鋁液的壓強變化量；

dTF—凝固平衡溫度變化量；

ΔVm—鋁液的體積變化量；

Tm—合金的熔體溫度；

ΔHm—液體的平均摩爾汽化熱。

其中，對于某一確定的兩相平衡狀態(tài)，Tm和ΔHm可視為定值。在液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟倪^程中，其體積降低，即ΔVm<0。由于熔體填充空穴導(dǎo)致微區(qū)局部壓力增加，則dP>0，因此dTF<0。在凝固過程中，機械振動降低了熔體實際凝固平衡溫度，使實際過冷度增加，促進(jìn)α-Al相形核；此外，機械振動增加了熔體中的對流效應(yīng)，促進(jìn)了液/固界面處枝晶的熔斷，且型壁處大量晶粒脫落和后續(xù)的增殖，有利于晶核的同時析出，從而促進(jìn)形成α-Al相。

2.2 振動鑄造對合金導(dǎo)熱性能的影響

金屬材料在室溫導(dǎo)熱過程中自由電子運動對導(dǎo)熱起主導(dǎo)作用。本研究采用Wiedemann- Franz定律近似估計該合金的熱導(dǎo)率，其計算公式為

λ=LTσ

(2)

式中：

λ—合金的熱導(dǎo)率，W/(m·K)；

L—洛倫茲常數(shù)，V2/K2；

T—熱力學(xué)溫度，K；

σ—合金的電導(dǎo)率，MS/m，熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率的比值為6.96。

前期研究表明[4]，對于Al-Fe基合金，L=2.34×10-8V2/K2。

圖4所示為Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金經(jīng)不同振動頻率鑄造鑄錠的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能。未施加振動時，其電導(dǎo)率為30 MS/m，振動處理的導(dǎo)電性能小幅提升。電導(dǎo)率熱導(dǎo)率隨著振動頻率的增加有小幅改善且趨于平穩(wěn)。振動處理的Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金鑄錠的熱導(dǎo)率從未振動的208 W/(m·K)提升至213 W/(m·K)。

圖4 振動頻率對Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金導(dǎo)電導(dǎo)熱性能的影響Fig.4 The effect of vibration frequencies on the electrical and thermal conductivities of Al-1.75Fe-1.25Ni eutectic alloy

鑄錠導(dǎo)熱性能的變化與鑄錠微觀組織密切相關(guān)。對于Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金，其熱傳導(dǎo)過程主要依靠自由電子在α-Al固溶體中的運動實現(xiàn)，F(xiàn)e和Ni元素在α-Al固溶體中的固溶度低，對鋁合金的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能影響較小。然而粗大的共晶組織造成了自由電子在熱傳輸過程的散射，從而降低自由電子的平均自由程，惡化鑄錠的導(dǎo)熱性能。從圖2可知，機械振動處理促進(jìn)了鑄錠中α-Al相的析出，提高α-Al相的面積占比，增加自由電子的傳輸通道，進(jìn)而小幅度提升其導(dǎo)電導(dǎo)熱性能。

2.3 振動鑄造對合金鑄態(tài)力學(xué)性能的影響

圖5為不同振動頻率下Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金鑄錠的室溫力學(xué)性能。隨著振動頻率的增加，各項力學(xué)性能指標(biāo)均顯著提升。未振動鑄錠的屈服強度和抗拉強度分別僅為63 MPa和131 MPa；當(dāng)振動頻率提高至200 Hz時，屈服強度和抗拉強度分別提升至89 MPa和173 MPa，提升幅度分別為41.3%和32.1%。同時鑄錠的斷后伸長率從15.5%提升至26.5%，較未振動的提高幅度約71.0%。

有、無振動鑄造Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金鑄錠試樣的拉伸斷口形貌如圖6所示。未振動的鑄錠試樣主要是以穿晶方式發(fā)生塑性斷裂，存在微孔分離的韌窩痕跡，韌窩底部存在Al9FeNi析出相。施加振動的其拉伸斷口形貌發(fā)生了較明顯的改變，等軸狀韌窩數(shù)量顯著增多，且深度較深。首先，振動可降低縮孔、疏松等鑄造缺陷的數(shù)量，減少了微裂紋的萌生；其次，機械振動有效地細(xì)化(α-Al+Al9FeNi)共晶組織且促進(jìn)初生α-Al相析出。在塑性變形過程中，基體與異相顆粒(如第二相、夾雜物等)周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，由于界面結(jié)合強度低，Al9FeNi相和α-Al相的相界面容易形成微孔，導(dǎo)致其斷裂失效。然而，隨著振動頻率的增加，具有良好塑韌性的初生α-Al相占比增大，可在一定程度上延緩微孔的擴大和連接，推遲微觀塑性失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)而提升鑄錠的力學(xué)性能。對于Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金，振動可同步細(xì)化α-Al晶粒和共晶組織(α-Al+Al9FeNi)，以實現(xiàn)鑄錠的強韌化，最終獲得兼具高強度和高導(dǎo)熱性能的Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金。

圖6 有、無振動鑄造條件下Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金鑄錠試樣拉伸斷口形貌Fig.6 Tensile fracture morphologies of Al-1.75Fe-1.25Ni eutectic alloy cast with or without vibration

3 結(jié) 論

1)Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金主要由α-Al和Al9FeNi兩相組成。未振動的常規(guī)凝固條件下合金的組織主要為粗大的共晶組織，施加振動鑄造可促進(jìn)初生α-Al相析出。

2)振動鑄造小幅提升Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，顯著改善其力學(xué)性能。振動頻率為200 Hz時，其屈服強度和抗拉強度分別提升41.3%和32.1%，分別達(dá)到89 MPa和173 MPa。伸長率的提升幅度超過70%，伸長率達(dá)到26.5%。

3)振動鑄造可同步細(xì)化α-Al晶粒和共晶組織(α-Al+Al9FeNi)，實現(xiàn)合金的強韌化，最終獲得兼具高強度和高導(dǎo)熱性能的Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金鑄件。