锰（Mn）对Al-3Fe合金中富铁相的形成及其导热性能的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Effect of Mn on the primary Fe-rich phases formation and thermal conductivity of Al-3Fe alloys

本研究系统探究锰含量对Al-3Fe合金初生Fe-rich相形貌及热导率的影响，发现Mn添加导致晶粒尺寸增大230.4%，相变Al3→Al6，孔隙率随Mn含量先升后降，热导率呈现V型变化，低Mn时粗大相阻碍电子传输，高Mn时定向Al6相减少散射提升导热。

　　这项研究聚焦于Mn含量对Al-3Fe合金中初生Fe富集相形成及其热导率的影响。通过扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）、电子背散射衍射（EBSD）、同步辐射X射线断层扫描以及原位同步辐射X射线成像等先进技术手段，研究人员对不同Mn含量下初生Fe富集相的三维形貌、尺寸变化以及其对材料热导率和力学性能的综合影响进行了系统分析。

研究结果表明，随着Mn含量的增加，Al的晶粒尺寸显著扩大，增幅达到约230.4%。同时，初生Fe富集相的结构也发生了变化，从Al3(Fe,Mn)转变为Al6(Fe,Mn)，并且其三维形态经历了从相互连接的针状结构向分散的杆状/菱形和细长杆状结构的演变。这一形态变化伴随着体积分数的大幅上升，达到809.4%。这些变化不仅影响了材料的微观结构，还对热导率和力学性能产生了深远影响。

在热导率方面，研究发现其呈现出“V”型变化趋势。当Mn含量较低时，热导率下降，从低Mn含量下的178.2 W·m?1·K?1降至156.6 W·m?1·K?1。而在高Mn含量下，热导率再次回升，达到204.6 W·m?1·K?1。这种热导率的波动主要归因于初生Fe富集相的形成方式不同。在低Mn浓度时，形成的是粗大的、随机分布的Fe富集相，这些相会阻碍电子的传输，从而降低热导率。相反，在高Mn浓度时，形成的Fe富集相则具有选择性取向的细长结构，这种结构减少了电子散射，进而提高了热导率。

在力学性能方面，Mn的添加对初生Fe富集相的形成具有调控作用。当Mn含量较低时，其促进了初生Fe富集相的形成，但在高Mn含量下则起到了抑制作用。此外，冷却速率对初生Fe富集相的形成和生长也具有显著影响。研究发现，随着冷却速率的增加，初生Fe富集相的形核密度显著上升，而其等效直径则相应减小，同时形核温度也降低。这些变化进一步表明，Mn和冷却速率的协同作用对初生Fe富集相的微观结构具有重要影响。

研究还指出，Mn在Al-Fe合金中的作用不仅限于调控初生Fe富集相的形成和形态，还可能影响合金的整体性能。例如，Mn的添加可以有效改善合金的热导率和力学性能，这与它对Fe富集相的调控密切相关。在低Mn含量时，形成的Fe富集相虽然有助于提高热导率，但同时也可能引入更多的缺陷，从而影响材料的力学性能。而在高Mn含量时，形成的Fe富集相则可能具有更优的结构特性，有助于提高合金的综合性能。

在实验方法上，研究采用了多种先进的材料表征技术，以全面分析Mn含量对初生Fe富集相的影响。同步辐射X射线断层扫描技术被用于研究不同Mn含量下初生Fe富集相的三维形态、尺寸分布以及空间排列情况。原位同步辐射X射线成像则用于监测不同Mn含量和冷却速率下初生Fe富集相的形核和生长行为。此外，扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和能谱分析（EDS）等技术也被用于对材料微观结构的进一步分析，以揭示Mn含量对合金性能的具体影响机制。

在合金制备过程中，研究选取了四种不同Mn含量的Al-3Fe-xMn合金（x分别为0、0.3、0.6和0.9 wt.%）。高纯度铝（99.9%）和主合金（Al-20Fe、Al-10Mn）被用作原料。首先，将纯铝和主合金放入井式电阻炉中，加热至900 °C。在铝完全熔化后，当熔体温度稳定在850 °C时，进行脱气处理，使用0.5 wt.%的C2Cl6进行脱气。脱气完成后，进行5分钟的保温处理，以确保熔体的均匀性。

在相识别方面，研究通过同步辐射X射线断层扫描技术对不同Mn含量的Al-3Fe合金进行了分析。结果表明，随着Mn含量的增加，初生Fe富集相的结构发生了显著变化。在0Mn合金中，初生Fe富集相呈现出细长的针状结构，而在0.3Mn合金中，初生Fe富集相则转变为厚的杆状和块状结构。随着Mn含量进一步增加，这些结构继续演化，呈现出更复杂的形态，如细长的杆状和菱形结构。这种变化不仅影响了材料的热导率，还对合金的力学性能产生了重要影响。

在Mn含量和冷却速率对初生Fe富集相形核与生长的影响方面，研究通过统计不同冷却速率下初生Fe富集相的形核行为，发现随着Mn含量的增加，初生Fe富集相的形核密度显著上升，而其最大形核速率也发生了变化。例如，在0.1 °C/s的冷却速率下，随着Mn含量从0增加到0.9，初生Fe富集相的形核密度从20（0Mn）和20（0.3Mn）减少至11（0.9Mn）。与此同时，最大形核速率也发生了相应的变化，分别为0.33个/秒（714.8 °C）、0.25个/秒（714 °C）和0.75个/秒（685.2 °C）。这些数据表明，Mn含量和冷却速率的协同作用对初生Fe富集相的形成具有重要影响。

此外，研究还发现，Mn的添加在一定程度上会促进气孔的形成，但当Mn含量较高时，又会抑制气孔的生成。这一现象可能与Mn在合金中的作用机制有关，即在低Mn含量时，Mn元素可能有助于形成更多的气孔，而在高Mn含量时，其对气孔的抑制作用则更为显著。气孔的形成不仅影响了合金的密度，还可能对材料的热导率和力学性能产生负面影响。

综上所述，这项研究通过系统的实验方法和先进的材料表征技术，深入探讨了Mn含量对Al-3Fe合金中初生Fe富集相的形成、形态演变及其对热导率和力学性能的影响。研究发现，Mn含量的增加不仅导致了初生Fe富集相的结构变化，还显著影响了其体积分数和热导率。这些发现为优化Al-Fe合金的性能提供了重要的理论依据和实验支持。通过进一步研究Mn含量与冷却速率的协同作用，以及不同合金元素对初生Fe富集相的调控机制，有望为高性能铝合金的开发和应用提供新的思路和方法。