振动铸造对高导热Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金组织和性能的影响

郭加林，罗 干，杜 军，周明君

(1.广东华昌集团有限公司，广东 佛山 528225；2.华南理工大学 材料科学与工程学院，广东 广州 510640)

以5G为代表的通信技术正快速发展，用Al-Si基合金(ADC12等)压铸生产的散热器件难以满足高功率电子器件的散热要求[1-2]，少Si(质量分数少于2%)甚至无Si的铝合金成为当前高导热铸造铝合金研究与发展的主要方向之一[3-5]。钟鼓等[6]报道Al-1Si-1Fe-1Zn合金的热导率是ADC12合金的两倍；Shin等设计Al-xMg-1Fe-0.5Si和Al-xSi-1Fe-1Zn两种系列合金的热导率比ADC12合金的高70 W/(m·K)～90 W/(m·K)。但上述合金均远离共晶组分，铸造流动性差，限制其在压铸领域推广应用。Fe和Ni在α-Al中的固溶度低，且Al-1.75Fe-1.25Ni合金具有较低的共晶温度(640 ℃)，具有与ADC12铝合金相当的流动性和优异的导热率性(热导率λ>200 W/(m·K))，有望取代传统的Al-Si基合金制备高导热压铸散热器件[7]。

作者所在团队采用普通铸造法制备了Al-1.75Fe-1.25Ni(质量分数/%，下同)共晶合金，其热导率可达到208 W/(m·K)，微观组织呈现为粗大的连续分布共晶组织形貌，但是其抗拉强度仅为131 MPa。稀土元素Yb可同步改善其导热和力学性能，可分别提升至211 W/(m·K)和152 MPa[8]。但是稀土元素Yb价格昂贵，因此开发低成本技术实现Al- 1.75Fe-1.25Ni合金铸件的组织改善和性能提升较为迫切。机械振动具有细化晶粒、净化熔体以及均匀组织等特性[9-11]，可使铸件的组织得到细化，使其综合性能得到提升。本课题通过引入机械振动以期改善该合金中共晶组织的形貌及其分布，为进一步提升高导热Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金的综合性能以及扩宽其应用范围提供实验基础。

1 实验过程

利用工业纯铝、Al-20Fe和Al-10Ni中间合金按成分要求配制Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金。利用石墨坩埚在井式电阻炉熔炼，合金总质量约为500 g，熔化温度720 ℃。将浇铸模具预热至200 ℃，并固定于亚新FP3振动台，铝合金熔体经精炼、扒渣后浇注并在振动条件下完成凝固，制备成100 mm×60 mm×15 mm的板状铸锭。振动频率依次设置为0、100 Hz、150 Hz和200 Hz。在铸锭中部(距底部10 mm处)采用电火花线切割法截取试样用于微观组织观测。该观测样品经过打磨、抛光后采用体积分数0.5%的HF酸水溶液腐蚀。采用Zeiss Gemini 300型扫描电镜观察不同频率振动铸造的Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金锭块的微观组织变化情况。在铸锭中部相同位置截取哑铃状拉伸试样，并在AG-X100kN型电子万能材料试验机上进行力学性能测试。使用Zeiss Gemini 300型扫描电镜分析拉伸断口形貌。

2 实验结果与分析

2.1 振动铸造对合金铸态微观组织的影响

图1所示为未施加振动铸造的Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金铸锭的光学显微组织和XRD图谱。

图1 Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金未施加振动铸锭试样的光学显微组织和XRD图谱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，其组织(α-Al+Al9FeNi)呈现典型的共晶形貌。未施加振动条件合金铸态组织呈现粗大且连续分布的共晶形貌。图2所示为施加不同频率振动铸造的Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金铸锭的光学显微组织。机械振动使合金的微观组织有显著的变化，完全共晶形貌的(α-Al+Al9FeNi)组织向初生α-Al和(α-Al +Al9FeNi)共晶组织转变，而且共晶组织有明显的细化。此外，α-Al相的面积占比随着振动频率的增加而逐渐增大，其二次枝晶间距逐渐减小。当振动频率由100 Hz增加至200 Hz时，其二次枝晶间距由40 μm逐渐减小至15 μm。

图2 施加不同振动频率铸造的Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金铸锭的显微组织Fig.2 Microstructures of Al-1.75Fe-1.25Ni eutectic alloy ingots cast with different vibration frequencies

图3所示为有、无施加振动铸锭试样深腐蚀(用体积分数为5%的硝酸水溶液腐蚀30 min)的SEM组织。未振动的试样共晶组织内部呈现纤维形貌，其边缘主要以块状的形式存在(图3a)；而施加振动试样组织中典型的共晶组织变为初生α-Al相和共晶组织。

图3 Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金有、无振动铸造的铸锭的SEM显微组织Fig.3 SEM microstructures of Al-1.75Fe-1.25Ni eutectic alloy ingots cast with or without vibration

常规凝固条件下，Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金应仅发生共晶反应，形成(α-Al+Al9FeNi)共晶组织。而施加机械振动后，铝合金熔体内产生空化作用，熔体内形成的大量空化泡逐渐长大并破裂后将被周围熔体填充，在微区形成局部压力[11]。根据Clausius- Clapeyron公式[12]：

(1)

式中：

dP—铝液的压强变化量；

dTF—凝固平衡温度变化量；

ΔVm—铝液的体积变化量；

Tm—合金的熔体温度；

ΔHm—液体的平均摩尔汽化热。

其中，对于某一确定的两相平衡状态，Tm和ΔHm可视为定值。在液相转变为固相的过程中，其体积降低，即ΔVm<0。由于熔体填充空穴导致微区局部压力增加，则dP>0，因此dTF<0。在凝固过程中，机械振动降低了熔体实际凝固平衡温度，使实际过冷度增加，促进α-Al相形核；此外，机械振动增加了熔体中的对流效应，促进了液/固界面处枝晶的熔断，且型壁处大量晶粒脱落和后续的增殖，有利于晶核的同时析出，从而促进形成α-Al相。

2.2 振动铸造对合金导热性能的影响

金属材料在室温导热过程中自由电子运动对导热起主导作用。本研究采用Wiedemann- Franz定律近似估计该合金的热导率，其计算公式为

λ=LTσ

(2)

式中：

λ—合金的热导率，W/(m·K)；

L—洛伦兹常数，V2/K2；

T—热力学温度，K；

σ—合金的电导率，MS/m，热导率与电导率的比值为6.96。

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

图4所示为Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金经不同振动频率铸造铸锭的导电、导热性能。未施加振动时，其电导率为30 MS/m，振动处理的导电性能小幅提升。电导率热导率随着振动频率的增加有小幅改善且趋于平稳。振动处理的Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金铸锭的热导率从未振动的208 W/(m·K)提升至213 W/(m·K)。

图4 振动频率对Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金导电导热性能的影响Fig.4 The effect of vibration frequencies on the electrical and thermal conductivities of Al-1.75Fe-1.25Ni eutectic alloy

铸锭导热性能的变化与铸锭微观组织密切相关。对于Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金，其热传导过程主要依靠自由电子在α-Al固溶体中的运动实现，Fe和Ni元素在α-Al固溶体中的固溶度低，对铝合金的导电导热性能影响较小。然而粗大的共晶组织造成了自由电子在热传输过程的散射，从而降低自由电子的平均自由程，恶化铸锭的导热性能。从图2可知，机械振动处理促进了铸锭中α-Al相的析出，提高α-Al相的面积占比，增加自由电子的传输通道，进而小幅度提升其导电导热性能。

2.3 振动铸造对合金铸态力学性能的影响

图5为不同振动频率下Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金铸锭的室温力学性能。随着振动频率的增加，各项力学性能指标均显著提升。未振动铸锭的屈服强度和抗拉强度分别仅为63 MPa和131 MPa；当振动频率提高至200 Hz时，屈服强度和抗拉强度分别提升至89 MPa和173 MPa，提升幅度分别为41.3%和32.1%。同时铸锭的断后伸长率从15.5%提升至26.5%，较未振动的提高幅度约71.0%。

有、无振动铸造Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金铸锭试样的拉伸断口形貌如图6所示。未振动的铸锭试样主要是以穿晶方式发生塑性断裂，存在微孔分离的韧窝痕迹，韧窝底部存在Al9FeNi析出相。施加振动的其拉伸断口形貌发生了较明显的改变，等轴状韧窝数量显著增多，且深度较深。首先，振动可降低缩孔、疏松等铸造缺陷的数量，减少了微裂纹的萌生；其次，机械振动有效地细化(α-Al+Al9FeNi)共晶组织且促进初生α-Al相析出。在塑性变形过程中，基体与异相颗粒(如第二相、夹杂物等)周围产生应力集中，由于界面结合强度低，Al9FeNi相和α-Al相的相界面容易形成微孔，导致其断裂失效。然而，随着振动频率的增加，具有良好塑韧性的初生α-Al相占比增大，可在一定程度上延缓微孔的扩大和连接，推迟微观塑性失稳现象的发生，进而提升铸锭的力学性能。对于Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金，振动可同步细化α-Al晶粒和共晶组织(α-Al+Al9FeNi)，以实现铸锭的强韧化，最终获得兼具高强度和高导热性能的Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金。

图6 有、无振动铸造条件下Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金铸锭试样拉伸断口形貌Fig.6 Tensile fracture morphologies of Al-1.75Fe-1.25Ni eutectic alloy cast with or without vibration

3 结 论

1)Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金主要由α-Al和Al9FeNi两相组成。未振动的常规凝固条件下合金的组织主要为粗大的共晶组织，施加振动铸造可促进初生α-Al相析出。

2)振动铸造小幅提升Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金的导电导热性能，显著改善其力学性能。振动频率为200 Hz时，其屈服强度和抗拉强度分别提升41.3%和32.1%，分别达到89 MPa和173 MPa。伸长率的提升幅度超过70%，伸长率达到26.5%。

3)振动铸造可同步细化α-Al晶粒和共晶组织(α-Al+Al9FeNi)，实现合金的强韧化，最终获得兼具高强度和高导热性能的Al-1.75Fe-1.25Ni共晶合金铸件。