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微量Sr、B對LED散熱器ADC12合金導電導熱性能改善機理
作者: 發布于:2020-10-19 09:46:09 點擊量:3880

針對LED散熱器用ADC12合金,研究了單獨或復合添加Sr、B含量對其微觀組織及導電導熱性能的影響。結果表明,向ADC12合金中添加0.04%的B能夠細化α-Al晶粒,從而提高材料的硬度,但是會在一定程度上削弱其導電導熱性能;向ADC12中添加0.04%的Sr,共晶Si尺寸和二次枝晶臂間距都有一定程度減小,其性能與初始合金相比有一定程度增強;但是復合添加0.04%的Sr和0.04%的B后,共晶Si的變質效果較好且二次枝晶臂間距最小,共晶Si由細纖維狀轉變為了短棒狀和顆粒狀,減小了電子傳輸的阻力,從而提高了合金的電導率和熱導率.

隨著科學技術的迅猛發展,通訊設備、儀器與部件的設計越來越趨向于小型化、緊湊化、高效化、輕量化等方向發展。LED 由于其高效的發光效率而備受各領域關注,尤其是在大功率燈具應 用領域,如島礁、艦艇、航空航天等,但由于其大功率所帶來的大熱量造成 LED 使用壽命嚴重下降,燈具的光衰可高達 20%~30%。因此傳熱過程、散熱技術以及導熱材料越來越引起重視。 本課題主要是在前期研究的基礎上,通過在ADC12合金中添加Sr和B的最佳添加量(0.04%),研究其單一添加和復合添加對ADC12合金導熱與導電性能的影響,并探究其微觀組織與導熱導電性能之間的關系。

1. 試驗材料與方法 1.1試驗合金 試驗材料為99.7%(質量分數,下同)的工業純鋁,工業純硅、Al-20Cu、Al-20Fe、Al-15La、Al-15Ce。Sr和B分別以Al-10Sr和 Al-3B的形式加入。將各元素按所需含量配制熔融,合金的化學成分見表1。

表1試樣化學成分表

1.2試驗工藝 將已經配制好的合金和氧化鎂坩堝預熱至573 K,再用SD-25高頻感應爐熔化合金,將熔化溫度設定為1 003 K。在加入變質劑和細化劑之間先加入C2Cl6除氣除雜、攪拌、扒渣,然后加入變質劑,保持熔煉爐溫度為1 013 K,保溫時長為30 min,最后加入細化劑,然后攪拌、扒渣,靜置15 min后將溫度降低至973 K澆注。 在鑄件上截取15 mm×15 mm×10 mm的試樣,經砂紙打磨、拋光、腐蝕后在光學顯微鏡下觀察試樣金相組織形貌,用帶能譜儀的掃描電鏡觀察、分析合金顯微組織和成分;采用線截距法測量合金的二次枝晶臂間距(SDAS),并計算共晶Si的平均長度。采用D60K數字金屬電導率測試儀測量試樣的電導率;采用HVS-1000Z顯微硬度計測量試樣的顯微硬度。

2. 試驗結果與討論 2.1鑄態合金的微觀結構 圖1為不同Sr、B加入量對ADC12鋁合金顯微組織的影響,組織中白色部分為α-Al基體,深黑色和灰色部分為Si相。圖1a中α-Al晶粒沒有明顯的輪廓,這說明α-Al的尺寸較大;共晶Si的形貌多種多樣,有細纖維狀、板條狀和少量的短棒狀,并且還出現了極少量的塊狀初生Si。當試樣添加0.04%的B后,見圖1b,合金的微觀組織有了一定程度的改善,α-Al晶粒得到細化但共晶Si形貌的改變不明顯,說明添加一定量的B能夠細化α-Al晶粒的尺寸,但是對共晶Si沒有影響。從圖1c可以看出,當添加0.04%的Sr后,α-Al晶粒和圖1a相比有一定程度的細化,但未出現塊狀初生Si,且共晶Si的形貌主要為細纖維狀和短桿狀,并且較為均勻的分布在基體上,說明添加適量的Sr可以在變質共晶Si的同時細化α-Al晶粒。當復合添加0.04%的Sr和0.04%的B,見圖1d,合金中的α-Al組織已經出現明顯的枝狀晶和部分的等軸晶,并且共晶Si基本上轉變為了短桿狀和顆粒狀,說明Sr和B復合添加時共晶Si的變質效果最好,并且共晶Si富集在α-Al晶粒周圍,未發現初生Si。

(a)1號   (b) 2號 (c)3號 (d)4號 圖1 試樣的金相顯微組織

表2是試樣二次枝晶臂間距和共晶Si平均尺寸??梢钥闯?,只添加B并不能使共晶Si發生細化,所以2號試樣的共晶Si平均尺寸較1號沒有明顯變化,而α-Al晶粒則產生一定程度的細化。單獨加入0.04%的Sr后,合金中的共晶Si平均尺寸較1號試樣有了顯著的變化,下降了38.45%;并且SDAS也有一定程度的降低,說明Sr除了能夠變質Si相,還能在一定程度上改變晶粒大??;當Sr和B共同添加時,共晶Si尺寸較1號試樣有較大的幅度的細化,共晶Si變質基本完全,并且SDAS值也降低了。這是因為Sr和Al形成低固溶度固溶體,Sr原子大部分都聚集在α-Al晶粒的晶界處,從而導致成分過冷,促進α-Al晶粒的形核,使晶粒細化[12];而B元素在ADC12中會形成AlB2顆粒,α-Al雖然不能在AlB2上形核,但Si相可以,α-Al可能在Si相上形核,從而達到細化晶粒的效果[13],所以4號試樣的SDAS值是4個試樣中最小的。LU SZ等[14]發現共晶Si改性劑的理想原子半徑比為1.646。Sr

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