设计用于新能源汽车热管理的Al-Ce-Si-Mg合金：通过调整硅含量来优化微观结构和性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Designing Al-Ce-Si-Mg Alloys for New Energy Vehicle Thermal Management: Tailoring Microstructure and Performance Through Silicon Content

Al-10Ce-XSi-0.5Mg铝合金通过调控Si含量优化铸造性能与综合力学-热电性能，0.4Si合金经T6处理实现强度（158MPa）与导热导电性（171W/m·K，46.6% IACS）协同提升，为新能源车热管理部件开发提供新思路。

　　

李培龙|叶洁云|廖伟红|周莉|王志刚|秦静

江西科技大学有色金属结构材料国家重点实验室，赣州，341000，中国

摘要

传统的铸造铝合金在机械性能、铸造性能以及热/电导率之间存在固有的矛盾，这限制了它们在高性能新能源汽车热交换器中的应用。本研究探讨了Al-10Ce-XSi-0.5Mg（X=0.3~0.5 wt%）铝合金的微观结构和性能。结果表明，随着Si含量的增加，共晶Al₁₁Ce₃和AlCeSi相的数量增加，从而降低了合金的热裂纹敏感性指数，改善了铸造性能，并显著提高了抗拉强度。然而，溶质原子和初级AlCeSi相的增加增强了散射效应，导致热导率和电导率先增加后减少。其中，原始铸态的0.4Si合金表现出最佳的综合性能：抗拉强度为141 MPa，屈服强度为62.0 MPa，延伸率为5.8%，热导率为154.8 W·m?1·K?1，电导率为42.8% IACS。经过T6热处理后，共晶Al₁₁Ce₃的球化和Mg固溶强化显著提高了所有合金的综合性能；具体来说，T6处理后的0.4Si合金达到了最佳性能：抗拉强度为158 MPa，屈服强度为83.2 MPa，延伸率为10.4%，热导率为171 W·m?1·K?1，电导率为46.6% IACS，优于传统的Al-Si-Fe和Al-Ni基合金。本研究为在高附加值领域（如电池）中应用丰富且低成本的Ce元素提供了参考。

引言

随着对高性能材料（如新能源汽车的热管理系统和电池）的需求不断增长，具有高强度和优异电导率及热导率的铝合金引起了广泛的研究兴趣[1]。例如，Al-Ni合金因其良好的铸造性能、低裂纹倾向和高电导率而受到青睐，适用于电动汽车转子；然而，其高昂的成本阻碍了其在工业中的广泛应用[2]。铝硅（Al-Si）合金具有优异的铸造性能和耐磨性，在汽车行业得到广泛应用，尽管仍需改进其机械性能和热导率[3][4]。铝镁硅（Al-Mg-Si）合金也因其优异的机械性能、良好的成型性和耐腐蚀性而在汽车部件中得到广泛应用[5]。然而，这些合金在同时优化强度和延展性方面面临持续挑战，同时还需要解决强度与电导率之间的固有矛盾。例如，当热处理后的6061合金的电导率达到或超过45.0% IACS时，其极限抗拉强度（UTS）通常低于150 MPa[6][7]。此外，Al-Mg-Si合金在凝固过程中容易发生中心线偏析，从而降低材料的均匀性和性能[8]。因此，开发新型替代材料已成为当前研究的关键焦点。

稀土元素铝合金因能改善传统合金的性能而受到关注。Ce在铝合金中的固溶度较低，但倾向于形成稳定的金属间化合物。例如，在Al-Ce-Ni-Ti-Zr合金中，Ce形成了稳定的Al₁₁Ce₃相，从而实现了晶粒细化和强度提升。该相具有优异的高温稳定性和抗分解性，赋予合金较高的热导率和电导率潜力[10][11]。Ce在形成Al₁₁Ce₃相时会发生放热反应，提高了合金的流动性，促进了铸造过程。例如，Al-12Ce合金具有优异的流动性、低热裂纹倾向和高熔点[12]。Al-Ce合金具有中等强度、良好的耐腐蚀性和铸造性能，在热管理系统中具有广泛应用前景。然而，在铸造过程中可能会因收缩和热应力而发生凝固裂纹（热裂纹），导致难以同时提高抗热撕裂性能和机械性能，同时也难以平衡铸造性能、强度和电导率[15][16]。为了解决这一问题，可以引入多组分合金体系或采用热处理工艺，并利用Kou准则评估合金的凝固裂纹敏感性[17]，从而平衡其铸造性能、电导率和机械性能。例如，Keerti等人[18]通过添加Sc、Zr、Si和Mg作为合金元素成功改善了这类合金的机械性能；Guo等人[19]通过实验研究、准则预测和模拟评估了Li含量对Al-2Cu-xLi合金热裂纹敏感性的影响。

基于Al-10Ce近似共晶合金，本研究结合相图计算和Kou准则模拟了裂纹敏感性分布图，设计了不同Si含量的Al-Ce-Si-Mg合金，旨在提高铸造性能和微观结构，同时增强强度、电导率和热导率。这种方法解决了现有合金的关键问题：Al-Si-Fe合金的高强度但低热导率，Al-Ni合金的高成本，以及Al-Ce合金的铸造性能差、机械性能和热导率低的问题。这些发现为开发新能源汽车用电池外壳和热管理部件（如压铸件）提供了理论基础。

材料与工艺

材料与工艺

本研究基于Al-Ce合金，采用了一种固定关键合金元素含量并系统改变Si含量的设计策略。利用Thermo-Calc软件和TCAL9: Al-Alloys v9.1数据库计算了Al-10Ce-XSi-0.5Mg合金的非平衡凝固相图。Pandat软件用于实现Scheil-Gulliver非平衡凝固模型的高通量模拟，关键参数包括合金成分等。

热裂纹倾向与铸造性能分析

图3显示了裂纹敏感性指数（CSI）与Al-10Ce-XSi-0.5Mg铸造合金成分之间的关系，清楚地表明了两者之间的相关性。图3(a)以Ce含量（y轴）和Si含量（x轴）为变量，直观展示了CSI的梯度分布（数值越高，热裂纹倾向越大）。

Si含量对热处理过程中凝固行为和微观结构演变的影响

先前的研究表明，尽管Al-Ce-Mg合金具有优异的高温稳定性，但它们具有较高的铸造热裂纹倾向，这限制了其应用[22][23]。根据Kou提出的热裂纹准则[24]，可以通过|dT/d(fs^1/2)|来评估合金的热裂纹敏感性：较大的dT/d(fs^1/2)值表示更高的热裂纹倾向。

结论

• (1)
  本研究采用CALPHAD方法计算了Al-10Ce-X(0.3-0.5)Si-0.5Mg合金的平衡相图。结合合金的裂纹敏感性分布图和步进模具铸造实验，发现0.3Si合金具有较高的热裂纹敏感性，而0.4Si和0.5Si合金表面光滑，无明显裂纹，证实适当增加Si含量可以有效提高合金的铸造性能。
• (2)
  原始铸态

< /> 叶洁云：撰写 – 审稿与编辑、资源获取、资金筹集。 廖伟红：软件开发、实验研究、资金筹集、概念构思。 周莉：资源管理、方法设计、实验研究。 王志刚：撰写 – 审稿与编辑、资源管理、实验研究。 秦静：数据验证、软件开发、方法设计。 李培龙：初稿撰写、项目管理、资金筹集、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52504413）、江西省自然科学基金（项目编号20252BAC200284）以及江西科技大学青江优秀青年人才计划（项目编号JXUSTQJBJ2020007）的支持。