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摘 要： 摘要：為了滿足新能源汽車高功耗三電系統(tǒng)對(duì)鋁制殼體結(jié)構(gòu)件導(dǎo)熱和力學(xué)性能的雙重要求，在Al-Mg-Si系6063鋁合金中引入過(guò)渡元素Ni，借助光學(xué)顯微鏡及掃描電子顯微鏡檢測(cè)、考察并量化不同Ni添加量對(duì)合金微觀組織形貌及其分布的影響，分析其導(dǎo)電/熱及力學(xué)性能的變
摘要：為了滿足新能源汽車高功耗三電系統(tǒng)對(duì)鋁制殼體結(jié)構(gòu)件導(dǎo)熱和力學(xué)性能的雙重要求，在Al-Mg-Si系6063鋁合金中引入過(guò)渡元素Ni，借助光學(xué)顯微鏡及掃描電子顯微鏡檢測(cè)、考察并量化不同Ni添加量對(duì)合金微觀組織形貌及其分布的影響，分析其導(dǎo)電/熱及力學(xué)性能的變化規(guī)律。結(jié)果表明，Ni元素的添加造成鑄態(tài)合金熱導(dǎo)率的小幅度下降，但極大地提升了其力學(xué)性能。當(dāng)Ni添加量為2.5wt.%時(shí)，鑄態(tài)Al-Mg-Si-2.5Ni合金的熱導(dǎo)率為198.2W/(m·K)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為87.5和194.7MPa，分別提高了70.2%和72.3%，其熱導(dǎo)率的變化行為遵循含形狀因子修正項(xiàng)的Maxwell方程。
關(guān)鍵詞：6063鋁合金;Ni元素;導(dǎo)熱性能;導(dǎo)電性能;力學(xué)性能;顯微組織
隨著新能源汽車的快速發(fā)展，電控、電池、電機(jī)(簡(jiǎn)稱：三電系統(tǒng))作為新能源汽車的核心組件日趨輕量化、精密化和集成化，高功耗的集成電路系統(tǒng)對(duì)承載結(jié)構(gòu)材料的散熱性能提出了更高的要求[1-4]。目前，提高材料的散熱性能主要有兩種方法，一是增加結(jié)構(gòu)件的傳熱面積，通過(guò)提高單位時(shí)間的熱流量以改善其散熱性能，但與之不可避免地是設(shè)備質(zhì)量的增加與汽車能耗的增大[5];二是提高材料的熱導(dǎo)率，結(jié)構(gòu)件散熱速率的提升可顯著改善其散熱性能，該方法亦具備減少結(jié)構(gòu)件的熱載荷變形、提高材料服役壽命等特點(diǎn)[6-8]。現(xiàn)有的商用鑄造鋁合金，如ADC12、A380等，熱導(dǎo)率低于120W/(m·K)，無(wú)法滿足當(dāng)前新能源汽車三電系統(tǒng)快速發(fā)展下對(duì)承載結(jié)構(gòu)件的散熱需求[9]。因此，亟待開發(fā)出一種具備高導(dǎo)熱、高強(qiáng)度的新型鑄造鋁合金，以滿足新能源汽車行業(yè)的發(fā)展需求。
近年來(lái)，制備兼具高導(dǎo)熱和高強(qiáng)度的鑄造鋁合金的研究已成為研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)成分設(shè)計(jì)[10-12]、組織調(diào)控[13-15]、鑄造工藝優(yōu)化[16-18]以及塑性變形[19-21]等手段，研發(fā)出多種高導(dǎo)熱鋁合金。國(guó)內(nèi)康永林團(tuán)隊(duì)[18]采用高壓流變壓鑄研發(fā)出綜合性能優(yōu)異的Al-7.5Si-0.8Fe亞共晶鋁硅系鋁合金，其導(dǎo)熱性能和抗拉強(qiáng)度分別為186W/(m·K)和235MPa，共晶Si相形貌的改善是同步提升導(dǎo)熱和力學(xué)性能的關(guān)鍵。然而，Si在α-Al中最大的溶解度高達(dá)1.65wt.%[22]，固溶態(tài)的Si原子由于原子半徑、化合價(jià)、核外電子排布等因素的差異[23-24]，破壞晶體的完整性，加劇晶格畸變的程度，急劇惡化合金的導(dǎo)電/熱性能。Cho等學(xué)者[25]通過(guò)設(shè)計(jì)低Si合金體系制備出兼具高導(dǎo)熱和優(yōu)異流動(dòng)性能的Al-2Si-Ni系鑄造鋁合金，當(dāng)Ni的添加量為3wt.%時(shí)，合金的導(dǎo)熱性能仍高于180W/(m·K)。鐘鼓等學(xué)者[26]進(jìn)一步降低Si含量，采用對(duì)導(dǎo)熱性能影響較小的Zn作為固溶強(qiáng)化元素，鑄態(tài)Al-1Si-1Zn系合金的熱導(dǎo)率可達(dá)185W/(m·K)，但其拉伸性能較差，且流動(dòng)性能不及商用ADC12合金的一半。低Si鋁合金由于其合金化元素含量少而具備高導(dǎo)熱特性，但其鑄態(tài)力學(xué)性能普遍偏低。因此，研究兼具高導(dǎo)熱和良好力學(xué)性能的低Si鋁合金具有廣闊的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。
相關(guān)期刊推薦：《材料科學(xué)與工藝》雜志是由中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部主管、中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)共同主辦的材料學(xué)科技術(shù)性刊物。報(bào)道材料科學(xué)與工藝的材料開發(fā)和應(yīng)用研究的新成果，促進(jìn)成果的推廣和應(yīng)用，開展學(xué)術(shù)探討和爭(zhēng)鳴，活躍學(xué)術(shù)氣氛，提高技術(shù)水平。
基于國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀[27-29]，采用過(guò)渡元素Ni作為強(qiáng)化元素，在保證6063鋁合金較高導(dǎo)熱性能的前提下，提高鋁合金的鑄態(tài)室溫力學(xué)性能。一方面，Ni在α-Al中的固溶度極低[22]，對(duì)導(dǎo)熱危害極小;另一方面，引入Ni元素將增加固/液界面的成分過(guò)冷程度，細(xì)化晶粒，進(jìn)而改善合金的力學(xué)性能。同時(shí)，結(jié)合GülKoç團(tuán)隊(duì)[30]的研究，當(dāng)鋁合金中Ni添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))超過(guò)3%時(shí)，高鎳合金組織中將形成長(zhǎng)針狀的Al3Ni脆硬相，拉伸試樣斷口處脆性斷裂區(qū)域增加，急劇惡化材料的塑性，對(duì)力學(xué)性能不利。因此，本實(shí)驗(yàn)僅研究0wt.%~2.5wt.%過(guò)渡元素Ni對(duì)商用6063鋁合金微觀組織、導(dǎo)電/熱性能和力學(xué)性能的影響，并借助SEM、EDS和XRD等檢測(cè)技術(shù)，分析Ni元素在合金內(nèi)部的存在形式，以期揭示Ni對(duì)6063鋁合金導(dǎo)熱和力學(xué)性能的影響規(guī)律及機(jī)制。
1實(shí)驗(yàn)
商用6063鋁合金及本實(shí)驗(yàn)試樣的化學(xué)成分如表1所示，原材料采用Al-10Ni(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、Al-10Mg以及Al-20Si中間合金。
具體的熔煉和鑄造過(guò)程如下。將商用6063鋁錠加入到5kW電阻爐中加熱熔化，熔煉溫度為720~730℃，待合金熔化后，按照表1所設(shè)計(jì)的合金成分依次加入Al-10Mg、Al-20Si和Al-10Ni中間合金，待中間合金熔化后，使用MgO棒攪拌熔體2min以保證熔體內(nèi)元素均勻分布，靜置10min，待熔體溫度降至約710℃，扒渣，澆鑄至已預(yù)熱200℃的薄壁金屬型模具，薄壁件的尺寸為120mm×60mm×5mm，鑄件在模具中冷卻至室溫。
2結(jié)果與討論
2.1Ni對(duì)6063鋁合金微觀組織的影響
圖1為添加不同含量Ni元素后鑄態(tài)試樣的金相組織，可以看出，商用6063鋁合金鑄態(tài)組織主要由α-Al以及含F(xiàn)e金屬間化合物組成，如圖1(a)所示，α-Al的晶粒尺寸較為粗大，平均晶粒尺寸為80μm。加入過(guò)渡元素Ni后，合金的顯微組織發(fā)生顯著變化，合金的第二相含量顯著增加，如圖1(b~f)所示，析出的第二相主要沿晶界或枝晶間分布，當(dāng)Ni添加量為2.5wt.%，第二相以非連續(xù)分布的形式存在于鋁基體中。
如圖2所示，當(dāng)Ni的添加量為1wt.%時(shí)，合金的平均晶粒尺寸為38μm，如圖1(c)所示，較未添加Ni的合金的平均晶粒尺寸下降了52.5%，α-Al晶粒的細(xì)化效果顯著。進(jìn)一步添加Ni含量至2.5wt.%，合金的晶粒尺寸變化不大，平均晶粒尺寸普遍位于30μm左右。商用6063鋁合金和Al-Mg-Si-2.5Ni合金組織SEM/EDS分析結(jié)果如圖3所示，6063合金中長(zhǎng)針狀的含F(xiàn)e金屬間化合物的長(zhǎng)度約為10μm(圖3(a))，其Si和Fe的原子占比接近1:1，推測(cè)其可能為AlFeSi三元化合物。此外，添加Ni元素后，合金中出現(xiàn)的第二相主要為AlNi二元相(圖3(b))，該物相主要呈漢字狀或短棒狀。
圖4為商用6063和Al-Mg-Si-2.5Ni鑄造鋁合金鑄態(tài)下的XRD衍射譜圖，根據(jù)X射線衍射結(jié)果可知，鑄態(tài)6063合金主要由α-Al、Al5FeSi、Al13Fe4、Si和Al8Si6Mg3Fe等物相構(gòu)成，結(jié)合圖3(a)的EDS能譜結(jié)果，推測(cè)該長(zhǎng)針狀的三元相為Al5FeSi相。該衍射結(jié)果與Jmatpro7.2軟件計(jì)算得出的冷卻凝固過(guò)程相析出行為基本一致(圖5(a))。添加過(guò)渡元素Ni后，X射線衍射結(jié)果發(fā)生變化，依據(jù)圖3(b)的EDS能譜結(jié)果，推測(cè)該漢字狀或短棒狀的AlNi二元相為Al3Ni相，且Ni元素的添加抑制了Al8Si6Mg3Fe相的形成。
圖5為通過(guò)Jmatpro7.2軟件計(jì)算得出的不同Ni含量的Al-Mg-Si合金平衡凝固下合金的相析出行為，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得出，Al3Ni的相含量隨著Ni添加量的增加而提高，如圖5(b~f)所示，且Ni元素的添加抑制了β-AlFeSi和Al8Si6Mg3Fe的形成，通常認(rèn)為β-AlFeSi相對(duì)合金的力學(xué)性能十分不利[32]，因此，抑制β-AlFeSi相的形成對(duì)合金的力學(xué)性能有利。
2.2Ni對(duì)6063鋁合金導(dǎo)電/熱性能的影響
圖6為商用6063鋁合金的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率與Ni元素添加量的變化曲線。由圖6可知，未添加過(guò)渡元素Ni時(shí)，6063鋁合金的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率分別為29.6MS/m和211.2W/(m·K)。隨著Ni元素含量的增加，合金的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率均呈現(xiàn)小幅度的線性下降，當(dāng)Ni元素的添加量增加至2.5wt.%時(shí)，合金的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率分別為27.0MS/m和198.2W/(m·K)。與未添加Ni元素合金相比，電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率分別下降了8.8%和6.2%。
2.3Ni對(duì)6063鋁合金拉伸性能的影響
圖10和表2為不同Ni元素添加量對(duì)6063鋁合金拉伸性能的影響。添加Ni元素可顯著提升合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。鑄態(tài)商用6063鋁合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為51.4和113.0MPa，其拉伸性能較差。隨著Ni含量的添加，合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度不斷提高，當(dāng)Ni含量超過(guò)1.5wt.%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸減緩，伸長(zhǎng)率下降趨勢(shì)保持不變。其中，Ni添加量為2.5wt.%時(shí)，合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提升至87.5和194.7MPa，分別提升了70.2%和72.3%，但合金的延伸率由14.12%下降至10.00%，下降了29.2%。與現(xiàn)有的商用鋁合金相比，合金的塑性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于商用ADC12合金(延伸率為2.5%[40])和A380合金(延伸率為3.5%[42])，但屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度仍有不足。
鋁合金的拉伸性能與其微觀組織密切相關(guān)，通常認(rèn)為，粗大、尖銳的硬脆性第二相是合金拉伸變形過(guò)程中的裂紋萌生源和擴(kuò)展通道，裂紋易在第二相內(nèi)部或第二相與基體界面處產(chǎn)生和擴(kuò)展[43]。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)而言，隨著Ni添加量的增加，合金中硬脆性Al3Ni相含量也不斷增加。因此，在變形過(guò)程中，裂紋的萌生源和擴(kuò)展通道數(shù)量增加，容易在尖角處產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成合金在變形時(shí)提前斷裂失效，故合金的延伸率不斷降低。進(jìn)一步觀察圖10與表2可知，延伸率降低幅度并不大，這主要與α-Al相生長(zhǎng)受到抑制，導(dǎo)致晶粒細(xì)化有關(guān)。
經(jīng)過(guò)過(guò)渡元素Ni合金化處理后，合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度發(fā)生顯著提升，其作用機(jī)理同樣與晶粒細(xì)化有關(guān)。由圖5可知，α-Al相的形成先于Al3Ni相，在凝固過(guò)程中，由于溶質(zhì)再分配造成固/液界面前沿的溶質(zhì)濃度偏高，導(dǎo)致實(shí)際溫度低于理論凝固溫度，也即在固/液界面前沿液相內(nèi)存在成分過(guò)冷現(xiàn)象[44]。在本實(shí)驗(yàn)中，可以觀測(cè)到Al3Ni相主要分布于晶界或枝晶間，故實(shí)際凝固過(guò)程應(yīng)如圖11所示，Ni元素易偏聚在固/液界面前沿，提高了固/液界面的成分過(guò)冷度，促進(jìn)形核，并抑制α-Al相的生長(zhǎng)，從而起到晶粒細(xì)化的作用。
3結(jié)論
1)在Al-Mg-Si(6063)合金中適量添加過(guò)渡元素Ni，可顯著提升其拉伸性能，但小幅度降低其導(dǎo)電/熱性能。當(dāng)Ni元素的添加量為2.5wt.%時(shí)，合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為87.5和194.7MPa，提升了70.2%和72.3%，合金的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率分別為27.0MS/m和198.2W/(m·K)，僅降低8.8%和6.2%。
2)過(guò)量添加過(guò)渡元素Ni將使合金形成長(zhǎng)針狀的Al3Ni脆硬相，導(dǎo)致合金的抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸減緩，伸長(zhǎng)率下降趨勢(shì)保持不變，急劇惡化材料的塑性。
3)含形狀因子修正項(xiàng)的Maxwell模型可較好地?cái)M合Ni元素對(duì)合金熱導(dǎo)率的影響，當(dāng)形狀因子n=5.0時(shí)，該模型的擬合效果最優(yōu)。
4)添加Ni元素后，合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度不斷提升，其提升機(jī)制主要是晶粒細(xì)化;合金的延伸率不斷降低主要?dú)w因于硬脆性Al3Ni相含量的增加。——論文作者：肖悅輝，程永奇，陳宇航，何臻毅，麥興廣