طراحی آلیاژ آلومینیوم Al-Si-Fe ریخته گری بسیار رسانا (گرم) برای رادیاتور ایستگاه پایه 5G

ظهور عصر ارتباطات 5G تجهیزات و محصولات ارتباطی الکترونیکی را به سمت یک جهت یکپارچه سوق می دهد. با این حال، الزامات برای هدایت حرارتی مواد تجهیزات نیز برای اطمینان از عمر مفید تجهیزات و محصولات در حال افزایش است. به عنوان یکی از اجزای مهم ایستگاه های پایه 5G، فیلترهای ارتباطی دارای قدرت بالا و یکپارچگی بالایی هستند. بسیاری از هیت سینک های دیواره نازک نامنظم بر روی ساختار پوسته طراحی شده اند تا ظرفیت اتلاف گرما را بهبود بخشند. ریخته گری فشار بالا به دلیل راندمان تولید بالا و مزیت های هزینه آن به روش اصلی شکل دهی برای تولید در مقیاس بزرگ پوسته های اتلاف حرارت تبدیل شده است. آلومینیوم فلزی دارای ویژگی های چگالی کم، مقاومت ویژه بالا و مقاومت در برابر خوردگی عالی است و ماده اصلی برای ساخت فیلترهای ارتباطی است. رسانایی حرارتی آلومینیوم خالص در دمای اتاق حدود 237W/(m·K) است، اما قدرت آن کم است. آلیاژسازی می تواند خواص مکانیکی آلومینیوم خالص را بهبود بخشد، اما تأثیر منفی خاصی بر هدایت حرارتی آن خواهد داشت. عناصر آلیاژی عموماً در آلومینیوم به شکل اتم‌های محلول جامد، فازهای رسوب‌شده و فازهای دوم وجود دارند که عیوب کریستالی مانند جاهای خالی، نابجایی و فصل مشترک ایجاد می‌کنند و در نتیجه احتمال پراکندگی الکترون را افزایش می‌دهند و میانگین مسیر آزاد پراکندگی الکترون را کاهش می‌دهند که در نهایت منجر به کاهش عملکرد می‌شود. یک رابطه انحصاری بین قدرت و عملکرد الکتریکی (حرارتی) وجود دارد. در حال حاضر، مواد پوسته های اتلاف حرارت آلومینیوم با هدایت حرارتی بالا عمدتاً بر اساس آلیاژ Al-8Si بهبود یافته اند. با توجه به طول عمر قالب، مواد آلیاژ آلومینیوم با رسانایی حرارتی بالا معمولاً حاوی 0.8٪ تا 1.0٪ آهن است تا خاصیت ضد چسبندگی قالب را بهبود بخشد. از سوی دیگر، با توجه به رسانایی الکتریکی و حرارتی آلیاژ، لازم است تا محتوای عناصر ناخالص در آلیاژ به شدت کنترل شود تا تأثیر عناصر محلول جامد بر هدایت الکتریکی کاهش یابد. مطالعات نشان داده است که عناصر فلزات واسطه مانند کروم، منگنز، V و Ti بیشترین تأثیر را در کاهش هدایت الکتریکی و حرارتی دارند. بنابراین، آلیاژ آلومینیوم با رسانایی حرارتی بالا که برای ریخته گری دایکاست معمولاً یک سیستم آلیاژ Al-Si-Fe است، با محتوای Si بین 6٪ تا 9٪، محتوای آهن بین 0.6٪ تا 1.0٪، و محتوای سایر عناصر ناخالص به طور کلی زیر 0.01٪ کنترل می شود تا نیازهای دوگانه شکل پذیری و عملکرد را برآورده کند.

با این حال، محتوای نسبی Si و Fe تأثیر مستقیمی بر کسر حجمی فاز یوتکتیک Si، نوع ساختار بلوری و کسر حجمی فاز Fe، محدوده دمای انجماد آلیاژ و حلالیت جامد عناصر Fe و Si در زمینه آلومینیوم خواهد داشت و در نتیجه بر استحکام، پلاستیسیته و خواص الکتریکی (حرارتی) آلیاژ تأثیر می‌گذارد. آلیاژهای Al-Si-Fe با هدایت حرارتی بالا معمولاً برای بهبود بیشتر هدایت الکتریکی نیاز به عملیات پیری در دمای 300 ~ 350 درجه سانتیگراد دارند. با این حال، تکامل ساختار بارش پیری و سینتیک بارش پیری آلیاژهای هدایت حرارتی بالا هنوز نامشخص است. علاوه بر این، برهمکنش پیچیده بین عناصر Fe و Si باعث می‌شود که مواد ریخته‌گری با هدایت حرارتی بالا اغلب بر اساس آزمایش‌های آزمایشی و خطا انجام شود، که کارایی تحقیق و توسعه را کاهش می‌دهد و هزینه‌های تحقیق و توسعه را افزایش می‌دهد. در سال‌های اخیر، حوزه علم مواد شروع به استفاده گسترده از نرم‌افزارهای محاسبه نمودار فازی مانند Thermo-Calc، FactSage، PANDAT و JMATPro برای هدایت طراحی آلیاژهای آلومینیوم، غلبه بر محدودیت‌ها و تکیه صرفاً بر اکتشافات تجربی، بهبود کارایی و صرفه‌جویی در تحقیق و توسعه محصول، کرده است.

در این مطالعه، ترکیب فاز، کسر حجمی فاز، محدوده دمای انجماد و تغییرات حلالیت جامد عناصر Fe و Si در سیستم Al-Si-Fe توسط نرم‌افزار محاسباتی ترمودینامیکی PANDAT محاسبه شد تا مکانیسم برهم‌کنش بین عناصر Fe و Si مشخص شود. ترکیب آلیاژ محاسبه شده برای تولید آزمایشی محصولات دایکاست مورد استفاده قرار گرفت و ساختار ریختگی، ساختار پیری، استحکام بخشی و مکانیزم رسانایی آلیاژ مورد مطالعه و تجزیه و تحلیل تئوری قرار گرفت تا مرجعی برای طراحی مواد با رسانایی حرارتی بالا ارائه شود.

نتایج گرافیکی

محاسبات ترمودینامیکی با استفاده از نرم افزار PANDAT انجام شد و پایگاه داده مورد استفاده PANAl2016 بود که به طور کامل ترمودینامیک سیستم سه تایی Al-Si-Fe را تشریح کرد. در نظر گرفته شده است که حلالیت جامد عناصر Fe و Si در فاز اولیه α-Al با روش محاسبه نقطه محاسبه شود. محاسبه خط برای به دست آوردن ساختار، ترکیب فاز و کسر مولی فاز آلیاژ ریختگی در دمای اتاق استفاده شد. از محاسبه مقطعی برای به دست آوردن نمودار فاز شبه دودویی Al-7.5Si-xFe با محتوای آهن مختلف و محتوای Si خاص (7.5٪)، به منظور روشن شدن تغییرات در ریزساختار ناشی از تغییرات در محتوای آهن استفاده شد. در نهایت، ترکیب آلیاژ مطالعه تجربی با استفاده از نتایج محاسبات ترمودینامیکی به دست آمده ارائه شد. شکل 1 مسیر فنی کلی برای طراحی آلیاژهای آلومینیوم ریخته گری با هدایت حرارتی بالا است که توسط محاسبات ترمودینامیکی هدایت می شود.

شکل 1 مسیر فنی برای طراحی آلیاژهای آلومینیوم ریخته گری با هدایت حرارتی بالا با هدایت محاسبات ترمودینامیکی
شکل 2 نمودار شماتیک اندازه نوار تست ریختگی

با طراحی چند گروه از آلیاژهای Al-7.5Si-xFe با محتوای آهن مختلف (اجزای طراحی شده در جدول 1 نشان داده شده است)، اثرات تغییرات محتوای آهن بر رفتار انجماد، ساختار، ترکیب فاز، کسر مولی فاز و حلالیت جامد عناصر Fe و Si در α-Al اولیه محاسبه شد و نتایج محاسبه بین افزایش محتوای Fe در شکل نشان داده شده است. و Si، افزایش محتوای فاز β-AlFeSi و کاهش محتوای یوتکتیک Si. در عین حال، افزایش محتوای آهن تأثیر چشمگیری بر رفتار انجماد آلیاژ دارد و نسبت α-Al اولیه به‌سرعت کاهش می‌یابد، به‌ویژه زمانی که محتوای آهن به 0.8 درصد می‌رسد. کاهش α-Al اولیه، ناپیوستگی ساختار آلیاژ و احتمال پراکندگی الکترون را افزایش می دهد، که برای بهبود هدایت الکتریکی و حرارتی مفید نیست. با در نظر گرفتن استحکام، پلاستیسیته و رسانایی الکتریکی ماده، همراه با نتایج محاسبات ترمودینامیکی، Al-7.5Si-0.8Fe به عنوان هدف تحقیق انتخاب شد و میله‌های آزمایش با ریخته‌گری با دایکاست برای مطالعه بیشتر رابطه بین ساختار و عملکرد آلیاژ آماده شدند.

جدول 1 ترکیبات چند آلیاژ محاسبه شده توسط ترمودینامیک
شکل 3 نتایج محاسبات ترمودینامیکی

جدول 2 ترکیب طراحی شده و ترکیب واقعی آلیاژ T1 پس از بهینه سازی ترمودینامیکی (%)

(الف) ساختار متالوگرافی (ب) عکس SEM backscattering (ج) اسکن سطح Al

(د) اسکن سطح Si (ه) اسکن سطح آهن (f) اسکن سطح Sr

شکل 4 ریزساختار و توزیع سطح عنصر آلیاژ دایکاست
شکل 5 طیف XRD نمونه های ریخته گری و آلیاژ پیری

شکل 6 یک عکس مورفولوژی الکترون ثانویه SEM پس از عملیات خوردگی عمیق است. می توان مشاهده کرد که یوتکتیک Si یک مورفولوژی دگرگونی دندریتی ارائه می دهد و یوتکتیک ماتریس آلومینیوم را به جزایر تقسیم می کند. هیچ فاز بارش آشکاری در ماتریس آلومینیومی در حالت ریخته گری یافت نشد. همانطور که از شکل 6c مشاهده می شود، در مقایسه با حالت ریخته گری، برخی از زنجیره های شبکه یوتکتیک تا حدی قطع شده اند و α-Al اولیه جزیره مانند به تدریج پیوسته می شود. همانطور که در شکل 6d نشان داده شده است، در همان زمان، فازهای رسوبی دانه ای و میله ای شکل کوتاه در α-Al اولیه رسوب داده شدند. برای بررسی بیشتر نوع فاز بارش، توزیع عنصر املاح فاز بارش با استفاده از اسکن سطح عنصر EDS مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت، همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است. مشاهده می شود که عمدتاً دو نوع فاز بارش وجود دارد، یکی غنی از Si، و دیگری غنی از آهن، منگنز و سی است. اندازه فاز بارش بین ده ها تا صدها نانومتر است که توزیع پراکنده ای را نشان می دهد. همراه با طیف XRD (نگاه کنید به شکل 5)، هیچ پیک پراش اضافی پس از پیری ظاهر نشد، و ترکیب سازمانی هنوز فازهای α-Al، Si و β-AlFeSi بود، که نشان می دهد هیچ فاز جدیدی پس از پیری ایجاد نشده است.
(الف) As-cast (ب) As-cast، بزرگنمایی محلی

(ج) پیر (300℃×1h) (د) پیر، بزرگنمایی موضعی (300℃×1h)

شکل 6 ریزساختار SEM نمونه های دایکاست و آلیاژ پیر شده
(الف) SEM، بزرگنمایی کم (ب) SEM، بزرگنمایی بالا (ج) اسکن سطح Al

(د) اسکن سطح Si (ه) اسکن سطح آهن (f) اسکن سطح منگنز

شکل 7 توزیع سطح عنصر EDS فاز رسوبی
(الف) تصویر میدان روشن TEM (ب) توزیع سطح عنصر Al

(د) توزیع سطح Si (د) توزیع سطح آهن

شکل 8 ریزساختار TEM نمونه آلیاژ 300 × 1 ساعت
شکل 9 حلالیت جامد تعادل عناصر Fe و Si محاسبه شده است

رابطه با دما

شکل 10 خواص مکانیکی آلیاژهای ریخته گری شده و عملیات حرارتی شده. مشاهده می شود که استحکام کششی، استحکام تسلیم و کشیدگی آلیاژ در حالت ریخته گری به ترتیب 245MPa، 114MPa و 5.97% می باشد. پس از عملیات حرارتی پیری در 300℃×1h، استحکام کششی، استحکام تسلیم و ازدیاد طول مواد به ترتیب 198.8 مگاپاسکال، 96.6 مگاپاسکال و 6.96 درصد است. در مقایسه با حالت دایکاست، استحکام کششی و استحکام تسلیم به طور قابل توجهی کاهش یافته است و ازدیاد طول کمی افزایش یافته است. پس از عملیات پیری در 300℃×2h، خواص مکانیکی مانند استحکام کششی و استحکام تسلیم اساساً بدون تغییر باقی می‌مانند و ازدیاد طول کاهش می‌یابد. شکل 11 یک محصول پوسته اتلاف حرارت دیسکی را نشان می دهد که با ریخته گری دایکاست. از آنجایی که تفاوت در ضخامت دیواره منجر به تفاوت در سرعت خنک‌سازی می‌شود که بر ریزساختار و هدایت نیز تأثیر می‌گذارد، رسانایی در ضخامت‌های مختلف دیوار اندازه‌گیری شد. مشاهده می شود که رسانایی حالت دایکاست بین 23.5 ~ 24.2 MS / m است و پس از درمان پیری در 300 × 1 ساعت، رسانایی به 25.5 ~ 26.5 MS / m افزایش می یابد. با این حال، پس از درمان پیری در 300 × 2 ساعت، رسانایی در مقایسه با وضعیت پس از درمان پیری به مدت 1 ساعت کاهش جزئی نشان داد. همراه با داده‌های خواص مکانیکی، می‌توان مشاهده کرد که فرآیند عملیات حرارتی معقول باید در 300℃×1h پیر شود. طولانی شدن زمان پیری نه تنها رسانایی را بهبود نمی بخشد، بلکه تطابق قدرت و رسانایی را بدتر می کند.
(الف) منحنی کرنش مهندسی تنش مهندسی (ب) خواص مکانیکی

شکل 10 منحنی کرنش مهندسی تنش و خواص مکانیکی آلیاژ دایکاست در حالت ریختگی و پیری
شکل 11 محصولات دایکاست و رسانایی در حالت های مختلف
نتیجه گیری
(1) از طریق محاسبات ترمودینامیکی، تأثیر محتویات مختلف آهن بر ریزساختار، ترکیب فاز و حلالیت جامد عناصر Fe و Si آلیاژ Al-7.5Si به دست آمد. مشخص شد که با افزایش محتوای آهن، کسر مولی آلفا-آل اولیه کاهش می‌یابد و حلالیت جامد آهن و سی در زمانی که افزودن آهن 0.8 درصد بود، کمترین مقدار را داشت.

(2) استحکام کششی آلیاژ ریخته گری Al-7.5Si-0.8Fe 245MPa، ازدیاد طول 5.97% و رسانایی بین 23.5 و 24.2MS/m است. پس از پیری در 300℃×1h، استحکام کششی 198MPa و رسانایی بین 25.5 و 26.5MS/m است. درمان پیری می تواند به طور قابل توجهی هدایت آلیاژ را بهبود بخشد.

(3) مورفولوژی فاز یوتکتیک Si و حلالیت جامد Fe و Si دو عامل ریزساختاری اصلی موثر بر هدایت هستند. در میان آنها، کروی شدن یوتکتیک Si در طول درمان پیری، تداوم ماتریس آلومینیوم را افزایش می دهد و میانگین مسیر آزاد الکترون های رسانا را افزایش می دهد، که دلیل اصلی بهبود رسانایی پیری است.