本文是一项关于通过混合添加剂（Sr和TiB2）策略全面调控Al-Si-Fe合金机械性能与导热性能的原创性研究，由Donghu Zhou、Zongning Chen、Tongmin Wang等来自大连理工大学（Key Laboratory of Solidification Control and Digital Preparation Technology）及奥地利莱奥本矿业大学（Montanuniversität Leoben）的研究团队完成，发表于2024年8月的《Journal of Alloys and Compounds》（Volume 1005, 175850）。
学术背景
Al-Si合金因其优异的成型性，在大型有源天线单元（AAU）的承重部件制造中具有重要应用。随着第六代移动通信技术（IMT2030）的发展，AAU对散热性能与结构完整性的需求日益提升。然而，商用Al-Si合金的导热系数普遍低于140 W/(m·K)，且机械性能不足。传统强化元素（如Mg、Cu）的添加虽能提升机械性能，但会因晶格畸变和第二相形成显著降低导热性能。Fe元素的引入可在最小化导热损失的同时改善机械性能，而Sr可细化共晶Si相，TiB2则能细化初生α-Al枝晶。本研究旨在通过Sr与TiB2的协同作用，优化Al-9Si-0.8Fe合金的综合性能，并探索其在高压压铸（HPDC）工艺中的实际应用潜力。
研究流程
材料制备与工艺设计
- 合金设计：以Al-9Si-0.8Fe为基体，添加Al-10Sr（200 ppm Sr）和Al-2TiB2（300 ppm Ti）母合金，通过正交试验优化成分。
- 铸造工艺：采用永久模铸造（PMC）和高压压铸（HPDC）两种工艺。PMC用于研究合金本征特性，HPDC用于模拟工业生产条件。
- 微观结构调控：通过SEM、EBSD、TEM等分析Sr对共晶Si的变质作用（针状→纤维状）及TiB2对α-Al枝晶的细化效果。
性能测试
- 力学性能：室温拉伸试验（应变速率1×10⁻³ s⁻¹）测定抗拉强度（UTS）、延伸率（EL）及质量指数（QI=UTS+150log(EL)）。
- 热导率测试：激光闪射法测定热扩散系数，结合阿基米德密度测量和DSC比热容数据计算热导率。
- 电导率测试：验证Wiedemann-Franz定律的适用性。
数据分析
- 通过Image-Pro Plus统计共晶Si宽度，EPMA分析β-AlFeSi相分布，XRD与EBSD解析晶粒取向与尺寸。
主要结果
PMC工艺下的性能优化
- 微观结构：Sr添加使共晶Si宽度从5.0±1.3 μm降至0.9±0.5 μm，TiB2进一步细化α-Al枝晶（二次枝晶臂间距减少37.9%）。
- 力学性能：L3合金（Sr+TiB2）的UTS达173.5±4.5 MPa，EL为10.0±0.6%，QI值（328.3 MPa）显著高于未处理合金（247.3 MPa）。
- 热导率：L3合金热导率达173.0 W/(m·K)，较未处理合金（161.6 W/(m·K))提升6%。
HPDC工艺的强化效应
- 微观结构细化：快速冷却使α-Al晶粒尺寸减小，共晶Si呈珊瑚状网络（间距从1 μm降至0.3 μm），β-AlFeSi相尺寸显著降低。
- 性能表现：H3合金的UTS提升至233.1±9.3 MPa，EL为11.3±1.7%，但热导率降至148.5 W/(m·K)，仍优于多数商用合金（如ADC12的96 W/(m·K)）。
结论与价值
科学价值
- 揭示了Sr与TiB2的协同机制：Sr变质共晶Si不影响TiB2的细化效果，TiB2的加入补偿了Sr引入的孔隙率缺陷。
- 阐明了HPDC工艺通过高冷却速率细化组织但牺牲部分热导率的权衡关系。
应用价值
- 为AAU部件提供了兼具高导热（>148 W/(m·K)）与高塑性（EL>10%）的Al-Si-Fe合金解决方案。
- 提出的混合添加剂策略可推广至其他铸造铝合金的性能优化。
研究亮点
- 创新方法：首次将Sr变质与TiB2细化结合，通过HPDC工艺实现微观结构多尺度调控。
- 性能突破：H3合金的QI值（391 MPa）和热导率均优于同类HPDC合金（如A380的111 W/(m·K)）。
- 理论贡献：通过Jackson-Hunt共晶生长理论及Hall-Petch关系，量化了冷却速率对Si相间距与力学性能的影响。
其他发现
- 缺陷控制：HPDC工艺中孔隙率（1.0%）导致热导率降低约4.7 W/(m·K)，为后续工艺优化指明方向。
- 电子散射机制：纤维状共晶Si可减少自由电子散射路径，而珊瑚状Si网络会增加界面电阻，这一发现为导热模型提供了新依据。
本研究通过多尺度结构设计，为高导热高强韧铝合金的开发提供了理论支撑与工艺范式。