Diseño de aleación de aluminio fundido a presión Al-Si-Fe altamente conductora (caliente) para radiador de estación base 5G

La llegada de la era de las comunicaciones 5G está impulsando los equipos y productos de comunicaciones electrónicas hacia una dirección altamente integrada. Sin embargo, los requisitos de conductividad térmica de los materiales de los equipos también están aumentando para garantizar la vida útil de los equipos y productos. Como componente importante de las estaciones base 5G, los filtros de comunicación tienen alta potencia y alta integración. Muchos disipadores de calor irregulares de paredes delgadas están diseñados en la estructura de la carcasa para mejorar la capacidad de disipación de calor. La fundición a alta presión se ha convertido en el principal método de formación para la fabricación a gran escala de carcasas de disipación de calor debido a su alta eficiencia de producción y ventajas de costos. El aluminio metálico tiene las características de baja densidad, alta resistencia específica y excelente resistencia a la corrosión, y es el material principal para la fabricación de filtros de comunicación. La conductividad térmica del aluminio puro a temperatura ambiente es de aproximadamente 237 W/(m·K), pero su resistencia es baja. La aleación puede mejorar las propiedades mecánicas del aluminio puro, pero tendrá un cierto impacto negativo en su conductividad térmica. Los elementos de aleación generalmente existen en el aluminio en forma de átomos en solución sólida, fases precipitadas y segundas fases, lo que provocará defectos cristalinos como vacantes, dislocaciones e interfaces de fase, aumentando así la probabilidad de dispersión de electrones y reduciendo el camino libre medio de la dispersión de electrones, lo que en última instancia conduce a una disminución en el rendimiento eléctrico (térmico). Existe una relación exclusiva entre resistencia y rendimiento eléctrico (térmico). En la actualidad, los materiales de las carcasas de disipación de calor de aluminio de alta conductividad térmica se mejoran principalmente a base de aleación Al-8Si. Teniendo en cuenta la vida útil del molde, el material de aleación de aluminio fundido a presión de alta conductividad térmica generalmente contiene entre 0,8% y 1,0% de Fe para mejorar la propiedad antiadherente del molde. Por otro lado, considerando la conductividad eléctrica y térmica de la aleación, es necesario controlar estrictamente el contenido de elementos de impureza en la aleación para reducir la influencia de los elementos de solución sólida sobre la conductividad eléctrica. Los estudios han demostrado que los elementos de metales de transición como Cr, Mn, V y Ti tienen el efecto más significativo en la reducción de la conductividad eléctrica y térmica. Por lo tanto, la aleación de aluminio de alta conductividad térmica utilizada para la fundición a presión es generalmente un sistema de aleación Al-Si-Fe, con un contenido de Si entre 6% y 9%, un contenido de Fe entre 0,6% y 1,0%, y el contenido de otros elementos de impureza generalmente se controla por debajo de 0,01% para cumplir con los requisitos duales de conformabilidad y rendimiento.

Sin embargo, el contenido relativo de Si y Fe tendrá un impacto directo en la fracción en volumen de la fase eutéctica de Si, el tipo de estructura cristalina y la fracción en volumen de la fase Fe, el rango de temperatura de solidificación de la aleación y la solubilidad sólida de los elementos Fe y Si en la matriz de aluminio, afectando así la resistencia, plasticidad y propiedades eléctricas (térmicas) de la aleación. Las aleaciones de Al-Si-Fe de alta conductividad térmica generalmente requieren un tratamiento de envejecimiento a 300 ~ 350 ℃ para mejorar aún más la conductividad eléctrica. Sin embargo, la evolución de la estructura de precipitación del envejecimiento y la cinética de precipitación del envejecimiento de aleaciones de alta conductividad térmica aún no están claras. Además, la compleja interacción entre los elementos de Fe y Si hace que el desarrollo de materiales de fundición a presión de alta conductividad térmica se base a menudo en experimentos de prueba y error, lo que reduce la eficiencia de la I+D y aumenta los costos de I+D. En los últimos años, el campo de la ciencia de los materiales ha comenzado a utilizar ampliamente software de cálculo de diagramas de fases como Thermo-Calc, FactSage, PANDAT y JMATPro para guiar el diseño de aleaciones de aluminio, superando las limitaciones y la singularidad de depender únicamente de la exploración experimental, mejorando la eficiencia de la investigación y el desarrollo de productos y ahorrando recursos y energía.

En este estudio, el software de cálculo termodinámico PANDAT calculó la composición de fases, la fracción de volumen de fases, el rango de temperatura de solidificación y los cambios de solubilidad sólida de los elementos Fe y Si en el sistema Al-Si-Fe para revelar el mecanismo de interacción entre los elementos Fe y Si. La composición de la aleación calculada se utilizó para realizar pruebas de producción de productos fundidos a presión, y se estudiaron y analizaron teóricamente la estructura fundida, la estructura de envejecimiento, el fortalecimiento y el mecanismo conductor de la aleación, con el fin de proporcionar una referencia para el diseño de materiales de alta conductividad térmica.

Resultados gráficos

Los cálculos termodinámicos se realizaron utilizando el software PANDAT y la base de datos utilizada fue PANAl2016, que describe completamente la termodinámica del sistema ternario Al-Si-Fe. Se pretende calcular la solubilidad sólida de los elementos Fe y Si en la fase primaria α-Al mediante el método de cálculo puntual. Se utilizó el cálculo lineal para obtener la estructura, composición de fases y fracción molar de fases de la aleación fundida a temperatura ambiente; Se utilizó el cálculo de la sección transversal para obtener el diagrama de fases pseudobinario de Al-7.5Si-xFe con diferentes contenidos de Fe y contenido específico de Si (7,5%), con el fin de aclarar los cambios en la microestructura causados ​​por cambios en el contenido de Fe. Finalmente, se proporcionó la composición de la aleación del estudio experimental utilizando los resultados del cálculo termodinámico obtenido. La Figura 1 es la ruta técnica general para el diseño de aleaciones de aluminio fundido a presión de alta conductividad térmica guiada por cálculos termodinámicos.

Figura 1 Ruta técnica para el diseño de aleaciones de aluminio fundido a presión de alta conductividad térmica guiada por cálculos termodinámicos
Figura 2 Diagrama esquemático del tamaño de la barra de prueba fundida.

Al diseñar varios grupos de aleaciones Al-7.5Si-xFe con diferentes contenidos de Fe (los componentes diseñados se muestran en la Tabla 1), se calcularon los efectos de los cambios en el contenido de Fe en el comportamiento de solidificación, la estructura, la composición de fases, la fracción molar de fases y la solubilidad sólida de los elementos Fe y Si en α-Al primario, y los resultados del cálculo se muestran en la Figura 3. Se puede ver que aumentar el contenido de Fe intensificará la reacción entre Fe y Si, aumentará el contenido de Fase β-AlFeSi y reducir el contenido de Si eutéctico. Al mismo tiempo, el aumento del contenido de Fe tiene un efecto más dramático sobre el comportamiento de solidificación de la aleación, y la proporción de α-Al primario disminuye rápidamente, especialmente cuando el contenido de Fe alcanza el 0,8%. La reducción del α-Al primario aumentará la discontinuidad de la estructura de la aleación y la probabilidad de dispersión de electrones, lo que no favorece la mejora de la conductividad eléctrica y térmica. Teniendo en cuenta la resistencia, plasticidad y conductividad eléctrica del material, combinadas con los resultados de los cálculos termodinámicos, se seleccionó Al-7,5Si-0,8Fe como objeto de investigación y las varillas de prueba se prepararon mediante fundición a presión para estudiar más a fondo la relación entre la estructura y el rendimiento de la aleación.

Tabla 1 Composiciones de varias aleaciones calculadas por termodinámica.
Figura 3 Resultados del cálculo termodinámico.

Tabla 2 Composición diseñada y composición real de la aleación T1 después de la optimización termodinámica (%)

(a) Estructura metalográfica (b) Fotografía de retrodispersión SEM (c) Escaneo de superficie de Al

(d) Exploración de la superficie de Si (e) Exploración de la superficie de Fe (f) Exploración de la superficie de Sr

Figura 4 Microestructura y distribución de la superficie del elemento de aleación fundida a presión.
Figura 5 Espectro XRD de muestras de aleaciones fundidas y envejecidas

La Figura 6 es una fotografía de morfología del electrón secundario SEM después de un tratamiento de corrosión profunda. Se puede observar que el Si eutéctico presenta una morfología metamórfica dendrítica, y el eutéctico divide la matriz de aluminio en islas. No se encontró ninguna fase de precipitación obvia en la matriz de aluminio en estado fundido. Como se puede ver en la Figura 6c, en comparación con el estado fundido, algunas cadenas de la red eutéctica están parcialmente desconectadas y el α-Al primario en forma de isla se vuelve gradualmente continuo. Al mismo tiempo, se precipitaron fases de precipitación granulares y en forma de varilla corta en el α-Al primario, como se muestra en la Figura 6d. Para explorar más a fondo el tipo de fase de precipitación, se analizó la distribución de elementos solutos de la fase de precipitación utilizando el escaneo de la superficie del elemento EDS, como se muestra en la Figura 7. Se puede ver que existen principalmente dos tipos de fases de precipitación, una es rica en Si y la otra es rica en Fe, Mn y Si. El tamaño de la fase de precipitación oscila entre decenas y cientos de nanómetros, mostrando una distribución dispersa. Combinado con el espectro XRD (ver Figura 5), ​​no aparecieron picos de difracción adicionales después del envejecimiento, y la composición organizativa seguía siendo fases α-Al, Si y β-AlFeSi, lo que indica que no se generaron nuevas fases después del envejecimiento.
(a) As-cast (b) As-cast, aumento local

(c) Envejecido (300 ℃ × 1 h) (d) Envejecido, aumento local (300 ℃ × 1 h)

Figura 6 Microestructura SEM de muestras de aleaciones envejecidas y fundidas a presión
(a) SEM, bajo aumento (b) SEM, gran aumento (c) Escaneo de superficie de Al

(d) Exploración de la superficie de Si (e) Exploración de la superficie de Fe (f) Exploración de la superficie de Mn

Figura 7 Distribución superficial del elemento EDS de la fase precipitada
(a) Imagen de campo brillante TEM (b) Distribución superficial del elemento Al

(d) Distribución superficial del Si (d) Distribución superficial del Fe

Figura 8 Microestructura TEM de una muestra de aleación envejecida a 300 ℃ × 1 h
Figura 9 Solubilidad sólida de equilibrio calculada de elementos Fe y Si

Relación con la temperatura

Figura 10 Propiedades mecánicas de aleaciones recién fundidas y tratadas térmicamente. Se puede ver que la resistencia a la tracción, el límite elástico y el alargamiento de la aleación en estado fundido son 245 MPa, 114 MPa y 5,97% respectivamente. Después del tratamiento térmico de envejecimiento a 300 ℃ × 1 h, la resistencia a la tracción, el límite elástico y el alargamiento del material son 198,8 MPa, 96,6 MPa y 6,96 % respectivamente. En comparación con el estado fundido a presión, la resistencia a la tracción y el límite elástico han disminuido significativamente y el alargamiento ha aumentado ligeramente. Después del tratamiento de envejecimiento a 300 ℃ × 2 h, las propiedades mecánicas como la resistencia a la tracción y el límite elástico permanecen básicamente sin cambios y el alargamiento disminuye. La Figura 11 muestra un producto de carcasa de disipación de calor de disco preparado mediante fundición a presión. Dado que la diferencia en el espesor de la pared conducirá a diferencias en la velocidad de enfriamiento, lo que también afectará la microestructura y la conductividad, se midió la conductividad con diferentes espesores de pared. Se puede ver que la conductividad del estado fundido a presión está entre 23,5 ~ 24,2 MS/m, y después del tratamiento de envejecimiento a 300 ℃ × 1 h, la conductividad aumenta a 25,5 ~ 26,5 MS/m. Sin embargo, después del tratamiento de envejecimiento a 300 ℃ × 2 h, la conductividad mostró una ligera disminución en comparación con el estado después del tratamiento de envejecimiento durante 1 h. Combinado con los datos de propiedades mecánicas, se puede ver que el proceso de tratamiento térmico razonable debería envejecer a 300 ℃ × 1 h. Prolongar el tiempo de envejecimiento no sólo no mejorará la conductividad, sino que también empeorará la coincidencia entre resistencia y conductividad.
(a) Curva de tensión-deformación de ingeniería (b) Propiedades mecánicas

Figura 10 Curva de tensión-deformación de ingeniería y propiedades mecánicas de la aleación fundida a presión en estado fundido y envejecido.
Figura 11 Productos fundidos a presión y conductividad en diferentes estados.
Conclusión
(1) Mediante cálculo termodinámico, se obtuvo el efecto de diferentes contenidos de Fe sobre la microestructura, composición de fases y solubilidad sólida de los elementos Fe y Si de la aleación Al-7.5Si. Se encontró que con el aumento del contenido de Fe, la fracción molar de α-Al primario disminuyó y la solubilidad sólida de Fe y Si fue menor cuando la adición de Fe fue del 0,8%.

(2) La resistencia a la tracción de la aleación fundida a presión Al-7,5Si-0,8Fe es de 245 MPa, el alargamiento es del 5,97 % y la conductividad está entre 23,5 y 24,2 MS/m; después de envejecer a 300 ℃ × 1 h, la resistencia a la tracción es de 198 MPa y la conductividad está entre 25,5 y 26,5 MS/m. El tratamiento de envejecimiento puede mejorar significativamente la conductividad de la aleación.

(3) La morfología de la fase eutéctica de Si y la solubilidad sólida de Fe y Si son los dos principales factores microestructurales que afectan la conductividad. Entre ellos, la esferoidización del Si eutéctico durante el tratamiento de envejecimiento mejora la continuidad de la matriz de aluminio y aumenta el camino libre medio de los electrones de conducción, que es la principal razón para la mejora de la conductividad del envejecimiento.