振動(dòng)鑄造對(duì)高導(dǎo)熱Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金組織和性能的影響

郭加林，羅 干，杜 軍，周明君

(1.廣東華昌集團(tuán)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(wú)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(bào)道Al-1Si-1Fe-1Zn合金的熱導(dǎo)率是ADC12合金的兩倍；Shin等設(shè)計(jì)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(dòng)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?dòng)性和優(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(tuán)隊(duì)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(qiáng)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(jià)格昂貴，因此開(kāi)發(fā)低成本技術(shù)實(shí)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(jī)械振動(dòng)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(guò)引入機(jī)械振動(dòng)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(kuò)寬其應(yīng)用范圍提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)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(dòng)臺(tái)，鋁合金熔體經(jīng)精煉、扒渣后澆注并在振動(dòng)條件下完成凝固，制備成100 mm×60 mm×15 mm的板狀鑄錠。振動(dòng)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(cè)。該觀測(cè)樣品經(jīng)過(guò)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(dòng)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(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。使用Zeiss Gemini 300型掃描電鏡分析拉伸斷口形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 振動(dòng)鑄造對(duì)合金鑄態(tài)微觀組織的影響

圖1所示為未施加振動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)鑄造的Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金鑄錠的光學(xué)顯微組織。機(jī)械振動(dòng)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(dòng)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(dòng)頻率由100 Hz增加至200 Hz時(shí)，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(dòng)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(wú)施加振動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(wú)振動(dòng)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(jī)械振動(dòng)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(zhǎng)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(qiáng)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(duì)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^(guò)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(guò)程中，機(jī)械振動(dòng)降低了熔體實(shí)際凝固平衡溫度，使實(shí)際過(guò)冷度增加，促進(jìn)α-Al相形核；此外，機(jī)械振動(dòng)增加了熔體中的對(duì)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(shí)析出，從而促進(jìn)形成α-Al相。

2.2 振動(dòng)鑄造對(duì)合金導(dǎo)熱性能的影響

金屬材料在室溫導(dǎo)熱過(guò)程中自由電子運(yùn)動(dòng)對(duì)導(dǎo)熱起主導(dǎo)作用。本研究采用Wiedemann- Franz定律近似估計(jì)該合金的熱導(dǎo)率，其計(jì)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(duì)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(dòng)頻率鑄造鑄錠的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能。未施加振動(dòng)時(shí)，其電導(dǎo)率為30 MS/m，振動(dòng)處理的導(dǎo)電性能小幅提升。電導(dǎo)率熱導(dǎo)率隨著振動(dòng)頻率的增加有小幅改善且趨于平穩(wěn)。振動(dòng)處理的Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金鑄錠的熱導(dǎo)率從未振動(dòng)的208 W/(m·K)提升至213 W/(m·K)。

圖4 振動(dòng)頻率對(duì)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(duì)于Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金，其熱傳導(dǎo)過(guò)程主要依靠自由電子在α-Al固溶體中的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)e和Ni元素在α-Al固溶體中的固溶度低，對(duì)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(guò)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(jī)械振動(dòng)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(dòng)鑄造對(duì)合金鑄態(tài)力學(xué)性能的影響

圖5為不同振動(dòng)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(dòng)頻率的增加，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均顯著提升。未振動(dòng)鑄錠的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別僅為63 MPa和131 MPa；當(dāng)振動(dòng)頻率提高至200 Hz時(shí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)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(shí)鑄錠的斷后伸長(zhǎng)率從15.5%提升至26.5%，較未振動(dòng)的提高幅度約71.0%。

有、無(wú)振動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jī)械振動(dòng)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(guò)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(qiáng)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(dòng)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(kuò)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(duì)于Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金，振動(dòng)可同步細(xì)化α-Al晶粒和共晶組織(α-Al+Al9FeNi)，以實(shí)現(xiàn)鑄錠的強(qiáng)韌化，最終獲得兼具高強(qiáng)度和高導(dǎo)熱性能的Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金。

圖6 有、無(wú)振動(dòng)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(dòng)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(dòng)鑄造可促進(jìn)初生α-Al相析出。

2)振動(dòng)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(dòng)頻率為200 Hz時(shí)，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提升41.3%和32.1%，分別達(dá)到89 MPa和173 MPa。伸長(zhǎng)率的提升幅度超過(guò)70%，伸長(zhǎng)率達(dá)到26.5%。

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