受控扩散凝固与Sm改性协同调控高镍铝合金微观结构与热物理性能的机制研究

为解决传统铸造(CC)高镍铝合金中粗大枝晶组织导致的力学性能不足和热物理性能下降问题，研究人员采用受控扩散凝固(CDS)技术结合Sm改性，系统研究了Al-10Ni合金的微观结构演变与性能调控机制。通过优化混合比(1:4)和过热度(10°C)，实现初生Al3Ni相尺寸减小80.2%，形状因子从10.7降至3.2，使热导率提升至216.5 W/(m·K)，抗拉强度达173.3 MPa。该研究为热管理系统用高性能铝合金开发提供了新策略。

　　

在追求轻量化的现代工程领域，铝合金因其优异的比强度、耐腐蚀性和热导率(TC)成为汽车和电子散热系统的宠儿。然而传统铸造(CC)工艺的"阿喀琉斯之踵"在于其粗大的枝晶组织——这些像冬日冰凌般肆意生长的微观结构，不仅会引发缩孔、气孔等缺陷，更会像多米诺骨牌般引发材料力学性能和热管理效率的连锁崩塌。面对这个困扰学界多年的难题，华南理工大学材料科学与工程学院的研究团队在《Journal of Materials Research and Technology》上提出创新解决方案：通过受控扩散凝固(CDS)技术结合稀土Sm改性的"双管齐下"策略，让高镍铝合金焕发新生。

研究人员采用激光闪射法(LFA)、扫描电镜(SEM)等先进表征手段，构建了包含工业纯铝和Al-20Ni母合金的模型体系。通过设计Al-6Ni/Al-xNi双熔体混合系统，结合约束棒法评估热裂敏感性(HTS)，系统研究了混合比(1:1~1:4)和Sm含量(0.1~0.7%)的协同效应。

【微观结构】CDS技术使初生Al₃Ni相从24.2μm的粗大层状结构锐减至4.8μm，形状因子从10.7优化至3.2，呈现近球形形貌。0.5%Sm改性后，合金中形成均匀分布的等轴晶，但过量Sm(0.7%)会导致Al₄Sm/Al₁₁(Ni,Sm)₃脆性相析出。

【热物理性能】1:4混合比的CDS处理使热导率从193.0跃升至214.5 W/(m·K)，0.5%Sm改性后进一步提升至216.5 W/(m·K)。25~100°C区间平均热膨胀系数(CTE)从17.8×10^-6/K降至17.3×10^-6/K，展现优异的尺寸稳定性。

【力学性能】CDS使延伸率从8.8%暴增至19.0%，而CDS+0.7%Sm处理在保持173.3 MPa高强度的同时，仍维持14.7%的延伸率。TEM分析揭示Sm的晶界偏聚形成"三明治"结构强化相是性能提升的关键。

【热裂敏感性】CDS处理使HTS值从8降至0，完全消除热裂倾向。热分析曲线显示CDS+Sm处理将初生相析出温度降低95.5°C，显著增大过冷度。

这项研究通过JMatPro热力学模拟和MATLAB传质模型，首次阐明CDS过程中Gibbs自由能差(ΔG)与形核密度的定量关系。当Al-6Ni/Al-11Ni以1:4混合时，界面溶质扩散距离达29μm，形成17.4μm²的组分过冷区，为球形晶生长创造理想条件。该工作不仅为开发新一代热管理材料提供理论指导，更通过"工艺-结构-性能"的闭环优化，展示了计算材料学在凝固控制中的强大潜力。正如文中所言："CDS与稀土的协同效应，犹如为铝合金装上了性能调节的双重旋钮"。这种可精确调控的微观结构设计策略，或将重新定义高性能铝合金在航空航天和电子封装领域的应用边界。