中北大学毛红奎副教授：AlN变质对Al0.45Mg性能的影响

随着社会的不断发展， 5G通信基站无线电遥控密封腔体外壳和新能源汽车电池组冷却模块所用材料的散热性能在上述新兴产业中受到广泛关注。 因此，研究高导热铸造铝合金具有重要的工程意义和应用价值。颗粒增强铝基复合材料具有比强度高、耐磨性好、热膨胀系数低和机械加工性能高等优点，在铸造性能、耐磨性、低热膨胀性和可加工性方面具有明显的优势，被广泛应用于汽车和航空航天领域。一般铝基复合材料的增强颗粒多为SiC、Al2O3、AlN等。其中，AlN由于具有高弹性模量、高热导率和低热膨胀系数等优异性能，尤其是良好的热稳定性，已越来越多地被用作Al-Si合金的增强体，与其他典型增强体(如Al2O3)相比，熔融的铝对AlN的润湿效果更好，而且AlN与熔融的铝不发生反应，从而避免Al-SiC和Al-Al2O3等常见的界面反应和界面不良问题。

许多研究发现对Al-Si系合金的电导率和热导率的影响多以Si的变质为主。Sr可以有效地将共晶Si相从粗片状结构转变为细纤维状结构，进而改善Al-Si合金的力学性能，还有研究发现Sr的添加也能提高亚共晶Al-Si合金的热导率，并认为共晶形态的转变是提高热导率的主要原因；胡凯琪等研究了AlN颗粒对Al-12Si合金中Si相的形态转变机制，发现Si相由片状变为块状，改善合金力学性能。虽然目前已有许多将AlN作为Al-Si系合金的增强体的研究，但有关AlN颗粒和Sr对Al-Si系合金热导率方向的研究较少。

中北大学毛红奎副教授在2023年第43卷第01期《特种铸造及有色合金》期刊上发表了“AlN 变质对Al-4Si-0.45Mg性能的影响”的文章，文章在亚共晶Al-4Si-0.45Mg合金中添加微量AlN，以改善合金的显微组织并提高力学性能和导热性能。结果表明，未添加Sr和AlN的合金，其抗拉强度为167.3 MPa，伸长率为10%，热导率为149.5 W/(m•k)；添加Sr后的抗拉强度为176.2 MPa，伸长率为20%，热导率为166.8 W/(m•k)，抗拉强度和热导率分别提高了5.4%、11.6%；添加AlN后的合金抗拉强度为176.2 MPa，伸长率为16%，热导率为170.1 W/(m•k)，抗拉强度和热导率分别提高了16.4%、13.8%。力学性能的提高主要与α-Al的晶粒细化、二次枝晶臂间距（SADS）的减小和硅的变质有关。加入Sr和AlN后，共晶Si由片状变成块状和球状，通过对变质后共晶Si的尺寸统计发现，尺寸明显减少，且AlN变质后共晶Si的平均尺寸更小，说明热导率的提高主要与共晶Si相的形态变化有关。其机制为细小的Si使得电子通道增加，电子散射概率减少，平均自由程增加，从而提高了热导率。

【试验方法】

试验用材料为：纯Al（99.7%，质量分数，下同）、纯Si、纯Mg、AlN粉末和Al-10Sr中间合金，制备Al-4Si-0.45Mg （试样1）、 Al-4Si-0.45Mg添加0.3%的Al-10Sr（试样2）和Al-4Si-0.45Mg添加0.6%的AlN (试样3)。

制备步骤如下：（1）将试验材料和模具置于200 的烘箱中1 h，以除去水分，AlN粉末预热温度为220 ；（2）将干燥的纯Al在750 10 熔化，然后依次加入纯Si、纯Mg镁（用锡纸包裹，放入溶体后立即将其压到溶体底部，减少其烧损）和Al-10Sr或AlN（AlN加入温度为710 并机械搅拌10 min）；（3）在750 时加入0.6%的C2Cl6进行除气，静止一段时间后将溶体倒入已经预热的金属模具中，以获得铸态试验。3个试样的化学成分见表1。

在这项研究中，从浇注好的铸锭底部切割试验，然后根据XRD、晶像的标准程序研磨和抛光。将试验在Keller试剂中腐蚀约10 s，为研究该合金的金相观察做准备。使用带有偏光的金相显微镜软件（ZEISS-Image）分析合金铸态组织的晶粒度、形貌。通过X射线衍射(XRD，Rigaku SmartLab)鉴定试验的相组成。使用维氏硬度测试仪测试试验硬度，每个试验测试6次取其平均值。在室温下，在计算机控制的电子拉伸试验机(Instron 3382)上以1 mm/min的速度测试拉伸性能。在室温下，用LFA 467激光闪射仪、DSC 204差示扫描量热仪和电子天平测量实验所用导热数据，每个试验测量5次取其平均值。利用扫描电镜（SU-5000）分析合金组织的微观结构，采用能谱分析(EDS)定性分析组织中各相的成分。

【图文结果】

添加Sr和AlN后， Al-4Si-0.45Mg合金的力学性能提高。添加Sr后Al-4Si-0.45Mg的抗拉强度由167.3 MPa提高到176.2 MPa，伸长率由10%到20%；添加AlN后抗拉强度提高到194.8 MPa，伸长率增至16%。力学性能的增加是由α-Al的晶粒细化、二次枝晶臂间距的减小以及共晶Si的变质引起的。

经变质后Al-4Si-0.45Mg合金导热性能提高，加入Sr后热导率由149.5 W/(m•k)提高到166.8 W/(m•k)，提高了11.6%；而AlN的加入使得热导率提高到170.1 W/(m•k)，提高了13.8%。导热性能的提高主要与Si的形貌有关，AlN和Sr通过变质Si相，使共晶Si的尺寸明显减小，使得电子通道增加，减少电子散射，增加平均自由程，从而提高热导率。

AlN和Sr通过变质Si相都可以减少共晶Si的尺寸，通过统计发现经Sr变质后Si的平均尺寸变为3.04 µm，AlN变质后Si的平均尺寸变为2.71 µm，AlN的变质效果更好，热导率更高。

(a)试样3，SEM

(b)试样1，SEM

(c) XRD

图1 SEM图像和XRD结果

（a）SEM

（a）SEM

(b)Al面扫描

(e)1处EDS

(c)Ni面扫描

(f)2处EDS

图2 Alloy-0.6%AlN的SEM图像和EDS结果

为了评估合金的力学性能，进行了室温下的拉伸和硬度测试。图3(a)和(b)分别示出了3个试验的应力-应变曲线和硬度值，应力-应变曲线中拐点是由移除引伸计后，载荷下降造成的。结果表明，纳米AlN和Sr的添加都可以提高Al-4Si-0.45Mg合金的力学性能。Sr添加后合金抗拉强度从167.3 MPa提高到176.2 MPa，提高了5.3%。AlN添加后合金抗拉强度从167.3 MPa降低到194.8 MPa，提高了16.4%。Sr的加入使伸长率从10%提高到20%，AlN的加入使伸长率从10%提高到16%。同时，Sr和AlN使Al-4Si-0.45Mg合金的硬度增加，Sr使硬度（HV）增加了2.8，AlN使硬度（HV）增加了8.5，见图3b。

力学性能的提高与α-Al晶粒的细化以及二次枝晶臂间距（SADS）的减小有很大的关系，见图4。可以看到，Al-4Si-0.45Mg合金的晶粒尺寸最大，添加Sr和AlN后α-Al晶粒细化。平均晶粒尺寸从386.5 µm减小到223.4 µm，添加AlN后平均晶粒尺寸从386.5 µm减小到194.6 µm。此外，Al-4Si-0.45Mg的二次枝晶臂间距为33.75 µm，加入Sr后二次枝晶臂间距减小到22.56 µm，添加AlN后二次枝晶臂间距减小到17.82 µm。因此，添加Sr和AlN可以细化合金Al-4Si-0.45Mg的α-Al晶粒，并且二次枝晶臂间距的减小可以减少偏析，最终提高合金的力学性能。添加Sr和AlN后，Al-4Si-0.45Mg合金铸态组织中的片状共晶Si相变成块状和球状，使共晶Si的尖端变得更加光滑，减小了变形时产生应力集中的倾向，因此合金的抗拉强度和硬度升高，见图5。

(a)应力-应变曲线；(b)合金硬度

图3 3种试样的应力应变曲线和硬度

(a)试样1金相

(d)晶粒尺寸

(b)试样2金相

(e)二次枝晶间距

(c)试样3金相

图4合金阳极覆膜偏振光下的组织

图5合金的导热系数

(a)试样1，金相

(d)试样1，共晶Si尺寸

(b) 试样2，金相

(e) 试样2，共晶Si尺寸

(c) 试样3，金相

(f) 试样3，共晶Si尺寸

图6合金微观组织和共晶Si粒径分布

(a)试样1

(b)试样2

(c)试样3

图7 P/S统计结果

【引用格式】

张浩,毛红奎,刘洪斌,等.AlN 变质对Al-4Si-0.45Mg性能的影响[J].特种铸造及有色合金，2023，43(2)：236-240.

ZHANG H,MAO H K,LIU H B,et al.Effects of AlN modification on properties of Al-4Si-0.45Mg [J].Special Casting& Nonferrous Alloys,2023,43(2):236-240.