采用CALPHAD方法对Fe-Al-Si体系中富硅区域的热导率进行建模

《Calphad》：Thermal conductivity modeling of the Si-rich region of Fe-Al-Si system by the CALPHAD method

本研究采用CALPHAD方法建立Fe-Al-Si合金系统热导率模型，涵盖固溶体、金属间化合物及两相合金，结合实验数据验证模型准确性，为汽车发动机和电子封装应用提供热物理数据库支持。

　　

张聪|廖敏思|李曦|陈冲|魏世忠

北京科技大学钢铁技术协同创新中心，中国北京，100083

摘要

Fe-Al-Si合金系统具有优异的热管理和热电性能，使其成为汽车发动机制造材料和电子封装应用的理想选择。在这项工作中，通过CALPHAD（相图计算）方法评估了Fe-Al-Si系统的导热性能。利用Redlich-Kister相互作用参数对固溶体中元素相互作用相关的导热性能进行了建模。对于处于两相区域的合金，模型中加入了界面热阻参数以考虑界面对热传递的影响。通过对二元和三元系统的参数进行评估，确保了模型与实验结果之间的高度一致性。本研究有助于预测Fe-Al-Si合金系统在工业制造中的导热性能，并为微观结构和加工模拟提供了必要的热物理性质。

引言

Fe-Al-Si合金是一种具有优异热管理和热电性能的材料。通过掺铝，β-FeSi₂和Si共晶结构在保持高塞贝克系数的同时提高了导热性能，使其适用于热电应用[1]。Al-Si合金还具有低密度、高导热性和低热膨胀系数的特点[2]，因此非常适合电子封装。Fe-Al-Si合金也是一种优良的软磁复合材料，具有良好的直流叠加性能，能够通过大电流，并在电力电子设备中具有高频应用[3]。同时，由于Fe元素的高强度和Al元素的低质量，它们的化合物具有低成本、低密度、高强度和优异的耐腐蚀性[4]，在汽车发动机领域具有广阔的应用前景。添加Si元素形成的第二相有助于增强合金的强度[5]，并提高了合金在空气中的抗氧化性[6]，这使得Fe-Al-Si合金成为内燃机的理想铸造材料。结合这些优点，Fe-Al-Si合金在热管理、热电转换、汽车发动机制造材料和电子封装领域展现出巨大的潜力。

材料的热传导能力由其导热性能表征，导热性能定义为在单位温度梯度下单位时间内通过单位面积传递的热量。这一性质对于工业合金的开发及热管理系统建模至关重要。在金属中，导热性能通常受温度、材料成分以及第二相的形式和大小的影响[7]，还受到微观结构和缺陷的影响。物质的性质可以通过数据驱动材料方法进行预测[8]，或者通过激光闪蒸分析或稳态热流测量等实验技术来确定。然而，数据驱动方法依赖于大量的实验数据，而合金的实验评估被认为资源密集且成本高昂。为了解决这一挑战，研究人员开发了理论模型来预测和分析此类系统的导热行为[[9], [10], [11], [12], [13], [14]]。

回顾以往的研究，发现关于Fe-Al-Si系统及其子系统的导热性能建模研究较为缺乏。本研究旨在使用CALPHAD类型模型对Fe-Al-Si系统的固溶体相、金属间化合物、二元两相合金和三元两相合金的导热性能进行建模，并建立相应的导热性能数据库。该数据库为Fe-Al-Si系统的导热性能模拟提供了基础支持，也为多组分导热性能数据库的建立奠定了坚实的基础。

章节片段

Fe-Al-Si系统导热性能的文献综述

在本研究中，优先选择制备条件良好、密度完整且均匀性高的合金的导热性能数据，以确保数据的准确性和可靠性。

CALPHAD数学模型

纯元素、金属间化合物、固溶体和二元两相合金的导热性能模型如下所述：

结果与讨论

Fe-Al-Si系统中导热性能模型的参数是在Thermo-Calc软件的PARROT模块中评估的。在导热性能优化过程中，使用了COST507[37]热力学数据库和Du等人的[39]数据来提取Fe-Al-Si系统的热力学平衡状态。导热性能函数被写入POP文件中。计算从纯组分开始。

结论

利用CALPHAD方法评估了Fe-Al-Si系统中各种相的导热性能，包括金属间化合物β-FeSi₂、(Fe)固溶体、二元两相合金(Al)+(Si)、β-FeSi₂+ (Si)以及Fe₁(Al,Si)₂+ (Si)+ τ₈。其中，β-FeSi₂的导热性能建模有助于准确预测二元和三元合金的性能。通过分析相组成与导热性能之间的关系，进行了全面的比较。

CRediT作者贡献声明

张聪：撰写——初稿、软件开发、实验研究。廖敏思：撰写——初稿、软件开发、实验研究。李曦：撰写——审稿与编辑、指导、软件开发、实验研究。陈冲：撰写——审稿与编辑、方法论制定、概念构思。魏世忠：指导、资源协调、方法论制定、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢以下机构的支持：国家联合工程研究中心磨损控制与金属材料成型开放基金（编号：HKDNM202102）、湖南省自然科学基金（编号：2023JJ40037）、国家自然科学基金（编号：U2141205和52371002），以及康奈尔大学的基础研究基金（编号：FRF-BD-23-02）。