清华大学熊守美教授《JMST》：新型超高导热Al-1.5Fe-1Ni铸造铝合金

导读：通过冷却速率和Ni局部富集，研发了一种导热系数高达190 W m−1K−1的新型高压压铸铝合金。

原文链接：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：本研究设计了一种新型高导热高压压铸Al-1.5Fe-1Ni合金，并深入探讨其微观组织与性能的内在联系。基于合金元素对铝电阻率的影响及相图分析，开发了Al-1.5Fe-x Ni（x=0、0.5、1、1.5）三元合金系列，系统研究镍含量对微观结构及热导率的影响。

结果表明：Al-1.5Fe-x Ni合金（x=0.5、1、1.5）在室温下主要由Al和NiFe相构成，可逆转变为Al₉(Ni,Fe)相；镍含量低于1 wt.%时合金呈亚共晶特性，而增至1.5 wt.%时出现针状初级相。其共晶组织由纤维状内共晶相和层状外共晶相构成，形态转变归因于残余液相中镍元素的富集。制备的Al-1.5Fe-1Ni压铸合金从表面到中心的微观结构异质，表层因冷却速率差异形成不同图案，对热导率影响较小。

该合金展现卓越导热性能（热导率突破200 W/(m·K)）和塑性（伸长率超过15%）。新热导率模型揭示，基体中溶质浓度对热导率存在显著负面影响，而低溶质浓度的初级α-Al晶粒有助于提升合金塑性。本研究为高导热Al-Fe-Ni合金的微观组织演变及微观结构与性能关系的理解提供了全新视角，对相关合金研发与应用具有重要指导意义。

背景：高压压铸铝合金散热元件在汽车、电子和通信领域广泛应用。现有HPDC Al-Si合金因流动性佳、机械性能优，仍是散热器首选，但ADC12合金导热系数不足100 W/(m·K)，难符高热导需求。优化Al-Si合金热导率的研究集中于成分调整与工艺控制，如降低硅含量、提高镁含量，或添加Sr和稀土元素以改良共晶硅颗粒，提升热导率至160–170 W/(m·K)。

加工参数方面，降低强化压力、提高射速会因孔隙率增加而降低热导率，而真空辅助HPDC技术有助于提升热导率。不可热处理压铸铝合金因成本低、能避免大型部件热处理变形，在Giga-Casting等领域备受关注，要求合金在铸态下性能达标。

然而，Al-Si合金中高硅含量导致电阻率上升，限制其热导率提升，难以满足更高要求，促使无硅铝合金研发受到重视。镍因低固溶度且能降低铝电阻率，成为设计高导热压铸合金的首选，但成本较高。

相比之下，铁成本低、溶解度低，对提升导热性有益，被视为镍的潜在替代。研究表明，添加La、Co、Ce等元素能显著提升Al-Fe合金导热性。Al-Fe-Ni三元合金因其成本与性能优势，有望成为高导热铝合金的有力候选，但目前相关研究较少，尤其是HPDC工艺下。Al-Fe-Ni合金微观组织的形成机制尚不明确，特别是共晶相的演变机制。既有关于Al-Fe-Ni合金的研究多关注耐热性，对其微观组织与热导率关系的探讨较少。

本研究基于合金元素对铝电阻率及相图的影响，重新设计Al-Fe-Ni三元合金成分，探究镍含量对微观组织及热导率的影响，旨在开发HPDC Al-Fe-Ni亚共晶合金，为高导热铝合金的研究与应用提供理论和实践支持。

设计理念：图1（a）和（b）展示了随着铝中单位质量分数合金元素的增加，固溶体/沉淀物中的电阻率变化趋势[19]。合金元素对α-Al电阻率的影响显著高于对沉淀物的影响。具体而言，元素Cu、Mg和Zn在α-Al中的最大溶解度较大，但对电阻率的不利影响相对较小。相比之下，元素Ti、V、Zr、Cr和Mn对电阻率有较大不利影响，在α-Al中的最大溶解度中等。元素Fe和Ni在α-Al中的最大溶解度较低，对电阻率有中等程度的不利影响。

为了深入揭示和比较不同合金元素对α-Al电阻率的影响，我们基于Matthiessen规则（方程（1））计算了α-Al中各种元素含量的实际电阻率[34]：根据最大溶解度的顺序，从Ti到Ni（最大溶解度低于1 wt.%），假设这些元素完全溶解在基体中；从Zn到Si（最大溶解度高于1 wt.%），假设这些元素在基体中的溶解度限制为1 wt.%。图1（c）显示了排序结果，表明元素Ni、Zn和Fe的电阻率增加最小。Zn的低电阻率增加归因于其对铝固溶体电阻率的影响较小，这也导致其强化效果较低[35]。Fe对压铸合金的耐焊接性至关重要，因此选择Fe和Ni作为设计高导热性HPDC铝合金的主要成分是合理的。

在本研究中，选择Fe作为初级合金元素，Ni作为次级元素，开发用于压铸应用的三元Al-Fe-Ni合金系统。为确保无硅铝合金的铸造性，选择了约1.5 wt.%的近共晶Fe成分（Al-Fe二元系统的共晶点约为1.8%[36]）。随后将Ni添加到Al-1.5Fe合金中。图1（d）显示了Al-1.5Fe-xNi合金在640°C至660°C温度范围内的平衡相图。选择0.5 wt.%、1 wt.%和1.5 wt.%的Ni含量，涵盖亚共晶到过共晶组成，以研究Ni含量对Al-Fe-Ni三元合金的影响，并确定最佳高导热性成分。研究发现，当Ni含量低于1 wt.%时，形成初级α-Al和（α-Al+Al₁₃M₄，M=Fe和Ni）共晶。当Ni含量为1.5 wt.%时，原生Al₁₃M₄沉淀，随后形成（α-Al+Al₁₃M₄）共晶。图1（e）显示，随着Ni含量的增加，凝固范围（∆T）增大。Ni含量低于1.5 wt.%的合金的凝固范围低于10°C，表明其具有出色的铸造性。

图1.（a）合金元素在α-Al中的最大溶解度与铝中每个质量分数合金元素在固溶体中电阻率增加之间的关系。（b）合金元素在α-Al中的最大溶解度与铝中每个质量分数合金元素的析出物电阻率增加之间的关系。（c）绝对存在于基体中的合金元素对α-Al电阻率增加的影响。（d）Al-1.5Fe-x Ni合金的相图。（e）Al-1.5Fe-x Ni合金的液相线温度、固相线温度和凝固范围。

主要结果：

图6.（a）Al-1.5Fe-x Ni合金的XRD结果。（b）Al-1.5Fe-x Ni合金在600°C以下的相图。（c，e）Al-1.5Fe-0.5Ni合金中共晶相的形貌和（d，f）SAED结果。（g）内共晶相和外共晶相之间的相界面，以及（h，i）Al-1.5Fe-1Ni合金的相应SAED结果。（j）（h，i）中不同衍射点之间的取向关系。（k）边界区域的HRTEM图像。（l）Al-1.5Fe-1.5Ni合金中的共晶相，以及（m）相应的SAED结果。（n）EBSD扫描结果和（o）初级相的相位分布。（p）Al-1.5Fe-x Ni合金的相形成过程表。

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.

结论：本研究基于合金元素对铝电阻率及相图的影响，首选Fe和Ni重构Al-Fe-Ni三元合金成分，并探究Ni含量对微观组织及热导率的作用。进而开发新型HPDC Al-1.5Fe-1Ni亚共晶合金，剖析其微观结构分布及微观组织与热导率、机械性能的关联。

研究结论如下：

1.重力铸造下，Al-1.5Fe-xNi合金（x=0.5、1、1.5）的第二相为Al₉NiFe相，源于Al固态转变。Ni含量达1.5 wt.%时，合金现针状初级相。

2.重力铸造的Al-Fe-Ni合金中，共晶Al₉NiFe相内纤维共晶相与外层状共晶相，由Ni富集驱动。特别是Al-1.5Fe-xNi合金（x=1、1.5），元素富集致层状Al₉NiFe相直结于共晶边界。

3.HPDC Al-1.5Fe-1Ni合金微观组织由初级α-Al（含模腔ESC-α及α）和（Al₉NiFe+α-Al）共晶构成，呈现表层、中心富ESC-α区等异质结构。中心Al₉NiFe相较表层更粗。

4.HPDC Al-1.5Fe-1Ni合金表皮层多样，归因于冷却速率差异。高冷却速率增表皮层区域，极高冷却速率下，芯片壁近液易共晶耦合。

5.该合金导热超190 W/(m·K)，伸长率超15%。表皮层对导热影响甚微。压铸合金热导率模型显示，溶质浓度显著抑制热导率，缩孔率促裂纹萌扩展。软质初级α-Al（尤其是ESCs-α）利于合金变形，赋予高伸长率。