新型高压压铸Al-1.5Fe-1Ni高导热合金的微观结构设计与性能优化研究

为解决传统Al-Si压铸合金导热性能不足（<100 W m?1 K?1 ）的问题，清华大学团队通过相图与电阻率分析，设计出Al-1.5Fe-xNi三元合金体系。研究发现Ni含量调控可诱导Al9 NiFe相变，优化后的Al-1.5Fe-1Ni合金在高压压铸（HPDC）下实现190 W m?1 K?1 导热率与15%延伸率，为轻量化散热部件提供新选择。

　　

随着新能源汽车和电子设备对高效散热需求的激增，传统压铸铝硅合金（如ADC12）的导热性能瓶颈日益凸显——其热导率普遍低于100 W m^?1
K^?1
，难以满足5G基站和一体化压铸（Giga-Casting）对材料性能的严苛要求。尽管通过降低Si含量（6-8 wt.%）或添加Sr改性可提升导热性至167 W m^?1
K^?1
，但硅元素在α-Al中的固溶仍严重制约电子传输。更棘手的是，热处理会导致大型构件变形，迫使业界寻求非热处理合金解决方案。

针对这一挑战，清华大学的研究团队另辟蹊径，选择Fe、Ni这两种对铝电阻率影响较小的元素，通过相图计算与电阻率模型（图1a-b），设计出Al-1.5Fe-xNi（x=0-1.5 wt.%）合金体系。借助高压压铸（HPDC）技术，系统研究了Ni含量对微观结构演变与性能的影响规律，最终开发出兼具190 W m^?1
K^?1
超高导热率和15%延伸率的Al-1.5Fe-1Ni合金，相关成果发表于《Journal of Materials Science》。

研究采用多尺度表征技术：通过X射线衍射（XRD）确认Al₁₃
(Fe,Ni)₄
→Al₉
NiFe的室温相变；利用同步辐射（上海光源BL13HB线站）解析压铸件从表层到中心的异质结构；结合热导率模型量化溶质浓度与表皮层对性能的贡献。

相组成与微观结构演化
当Ni含量≤1 wt.%时，合金呈现亚共晶组织（图3a-c），由初生α-Al和共晶组成；增至1.5 wt.%时则形成针状初生相（图3d）。高倍观察（图4）揭示共晶区存在纤维状内层与层状外层Al₉
NiFe的双重形貌，这种转变源于残余液相中Ni元素的富集效应。

压铸Al-1.5Fe-1Ni合金的异质结构
压铸件从表层到中心呈现显著组织梯度：高速冷却形成的表皮层包含细小等轴晶，而中心区域则以粗大枝晶为主（图7）。这种异质性源于压铸过程中冷却速率的空间差异，但研究发现表皮层对热导率影响微弱。

性能优化机制
建立的导热模型表明，α-Al基体中的低溶质浓度是获得190 W m^?1
K^?1
热导率的关键（图10）。同时，初生α-Al晶粒通过协调变形使合金延伸率突破15%，远超传统压铸铝合金。

该研究不仅阐明了Al-Fe-Ni合金中Al₉
NiFe相的演化机制，更通过成分-工艺-性能的协同调控，为开发非热处理高导热压铸合金提供了新范式。特别是提出的"低溶质浓度基体+共晶相调控"策略，可推广至其他合金体系设计，对推动轻量化散热部件在电动汽车领域的应用具有重要工程价值。