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微量Sr、B对LED散热器ADC12合金导电导热性能改善机理
作者: 发布于:2020-10-19 09:46:09 点击量:258

针对LED散热器用ADC12合金,研究了单独或复合添加Sr、B含量对其微观组织及导电导热性能的影响。结果表明,向ADC12合金中添加0.04%的B能够细化α-Al晶粒,从而提高材料的硬度,但是会在一定程度上削弱其导电导热性能;向ADC12中添加0.04%的Sr,共晶Si尺寸和二次枝晶臂间距都有一定程度减小,其性能与初始合金相比有一定程度增强;但是复合添加0.04%的Sr和0.04%的B后,共晶Si的变质效果较好且二次枝晶臂间距最小,共晶Si由细纤维状转变为了短棒状和颗粒状,减小了电子传输的阻力,从而提高了合金的电导率和热导率.

随着科学技术的迅猛发展,通讯设备、仪器与部件的设计越来越趋向于小型化、紧凑化、高效化、轻量化等方向发展。LED 由于其高效的发光效率而备受各领域关注,尤其是在大功率灯具应 用领域,如岛礁、舰艇、航空航天等,但由于其大功率所带来的大热量造成 LED 使用寿命严重下降,灯具的光衰可高达 20%~30%。因此传热过程、散热技术以及导热材料越来越引起重视。 本课题主要是在前期研究的基础上,通过在ADC12合金中添加Sr和B的最佳添加量(0.04%),研究其单一添加和复合添加对ADC12合金导热与导电性能的影响,并探究其微观组织与导热导电性能之间的关系。

1. 试验材料与方法 1.1试验合金 试验材料为99.7%(质量分数,下同)的工业纯铝,工业纯硅、Al-20Cu、Al-20Fe、Al-15La、Al-15Ce。Sr和B分别以Al-10Sr和 Al-3B的形式加入。将各元素按所需含量配制熔融,合金的化学成分见表1。

表1试样化学成分表

1.2试验工艺 将已经配制好的合金和氧化镁坩埚预热至573 K,再用SD-25高频感应炉熔化合金,将熔化温度设定为1 003 K。在加入变质剂和细化剂之间先加入C2Cl6除气除杂、搅拌、扒渣,然后加入变质剂,保持熔炼炉温度为1 013 K,保温时长为30 min,最后加入细化剂,然后搅拌、扒渣,静置15 min后将温度降低至973 K浇注。 在铸件上截取15 mm×15 mm×10 mm的试样,经砂纸打磨、抛光、腐蚀后在光学显微镜下观察试样金相组织形貌,用带能谱仪的扫描电镜观察、分析合金显微组织和成分;采用线截距法测量合金的二次枝晶臂间距(SDAS),并计算共晶Si的平均长度。采用D60K数字金属电导率测试仪测量试样的电导率;采用HVS-1000Z显微硬度计测量试样的显微硬度。

2. 试验结果与讨论 2.1铸态合金的微观结构 图1为不同Sr、B加入量对ADC12铝合金显微组织的影响,组织中白色部分为α-Al基体,深黑色和灰色部分为Si相。图1a中α-Al晶粒没有明显的轮廓,这说明α-Al的尺寸较大;共晶Si的形貌多种多样,有细纤维状、板条状和少量的短棒状,并且还出现了极少量的块状初生Si。当试样添加0.04%的B后,见图1b,合金的微观组织有了一定程度的改善,α-Al晶粒得到细化但共晶Si形貌的改变不明显,说明添加一定量的B能够细化α-Al晶粒的尺寸,但是对共晶Si没有影响。从图1c可以看出,当添加0.04%的Sr后,α-Al晶粒和图1a相比有一定程度的细化,但未出现块状初生Si,且共晶Si的形貌主要为细纤维状和短杆状,并且较为均匀的分布在基体上,说明添加适量的Sr可以在变质共晶Si的同时细化α-Al晶粒。当复合添加0.04%的Sr和0.04%的B,见图1d,合金中的α-Al组织已经出现明显的枝状晶和部分的等轴晶,并且共晶Si基本上转变为了短杆状和颗粒状,说明Sr和B复合添加时共晶Si的变质效果最好,并且共晶Si富集在α-Al晶粒周围,未发现初生Si。

(a)1号   (b) 2号 (c)3号 (d)4号 图1 试样的金相显微组织

表2是试样二次枝晶臂间距和共晶Si平均尺寸。可以看出,只添加B并不能使共晶Si发生细化,所以2号试样的共晶Si平均尺寸较1号没有明显变化,而α-Al晶粒则产生一定程度的细化。单独加入0.04%的Sr后,合金中的共晶Si平均尺寸较1号试样有了显著的变化,下降了38.45%;并且SDAS也有一定程度的降低,说明Sr除了能够变质Si相,还能在一定程度上改变晶粒大小;当Sr和B共同添加时,共晶Si尺寸较1号试样有较大的幅度的细化,共晶Si变质基本完全,并且SDAS值也降低了。这是因为Sr和Al形成低固溶度固溶体,Sr原子大部分都聚集在α-Al晶粒的晶界处,从而导致成分过冷,促进α-Al晶粒的形核,使晶粒细化[12];而B元素在ADC12中会形成AlB2颗粒,α-Al虽然不能在AlB2上形核,但Si相可以,α-Al可能在Si相上形核,从而达到细化晶粒的效果[13],所以4号试样的SDAS值是4个试样中最小的。LU SZ等[14]发现共晶Si改性剂的理想原子半径比为1.646。Sr