稀土鎂合金導熱性能及高導熱鎂合金研究.pdf

1、具有質輕、高比強度和比剛度的鎂合金材料若能夠同時兼得良好的力學性能及導熱性能，其在發(fā)熱器材散熱元件、3C電子產(chǎn)品及發(fā)動機殼體等特殊結構件上的應用將會得到極大地擴展?；诖?，在前期已研究鎂合金常用合金元素對純鎂熱導率影響規(guī)律的基礎上，本文探討了化學成分和變形工藝參數(shù)對鎂合金導熱性能影響規(guī)律及其作用機制，主要內(nèi)容為研究Ce、Nd、Y和Gd等稀土元素對鎂合金組織和熱導率的影響規(guī)律；分析時效處理過程中的第二相析出與鎂基體之間的界面關系及其對鎂合

2、金熱導率的影響規(guī)律；通過合金化和工藝調整獲取了兼具高熱導率和優(yōu)良力學性能的鎂合金材料。論文取得以下主要結論：
　　對于鑄態(tài)Mg–Ce、Mg–Nd、Mg–Y和Mg–Gd合金而言，隨著稀土元素含量的增加，第二相的體積分數(shù)逐漸增加，經(jīng)過固溶處理，除Mg–Ce合金以外，Mg–Nd、Mg–Y和Mg–Gd合金中的部分或者幾乎全部的第二相都固溶于鎂基體中。在鑄態(tài)和固溶態(tài)下，Mg–Ce、Mg–Nd、Mg–Y和Mg–Gd合金的熱導率均隨著稀土元素添

3、加量的增加而逐漸降低。對于Mg–Nd、Mg–Y及Mg–Gd合金，固溶處理會降低鑄態(tài)合金的熱導率，然而，固溶態(tài)Mg–Ce合金的熱導率高于鑄態(tài)合金的熱導率，其原因是Mg–Ce合金在固溶處理過程中部分晶格缺陷得到消除，第二相不溶于鎂基體且以更加細小彌散地分布于鎂基體中。不同的稀土元素對純鎂的熱導率影響程度存在顯著的差異，稀土元素對純鎂熱導率的影響程度順序為：Ce

4、e元素在鎂基體中的固溶度很低。不同合金元素對純鎂的熱導率影響程度存在差異的主要原因包括溶質原子與Mg原子的原子半徑差異、溶質原子的核外電子排布情況、化合價以及合金元素在鎂基體中的固溶度。
　　通過研究時效處理對Mg–12Gd合金熱導率的影響規(guī)律可知，隨著時效時間的延長，析出相逐漸粗化，且合金的熱導率和顯微硬度逐漸增加。在時效初期（<4h），鎂基體中析出大量的第二相，但是合金的熱導率僅僅增加了3.7 W/(mK)，其原因是在時效初期

5、，鎂基體與析出相的界面關系為共格界面。當時效8-24h時，合金的熱導率隨時效時間的增加呈線性增加，且在24h時合金的顯微硬度達到峰值為98.5±3.6HV，此時合金的熱導率為56.9 W/(mK)。當時效300h時，合金的熱導率達到峰值為75.7 W/(mK)。Mg-12Gd合金在498K下時效時，合金熱導率與析出相體積分數(shù)和析出相與鎂基體之間的界面關系有關。
　　鑄態(tài)二元Mg–Mn合金的晶粒尺寸較大，Mn元素幾乎沒有細化鑄態(tài)組織

6、的作用，在大晶粒內(nèi)部存在一些α–Mn顆粒。當合金經(jīng)過擠壓處理后，合金的平均晶粒尺寸明顯減小，擠壓態(tài)合金出現(xiàn)典型的纖維織構，并且有大量的納米級析出相。鑄態(tài)和擠壓態(tài)Mg–Mn合金的熱導率均隨著Mn含量的增加而逐漸降低，并且當Mn<1.2wt.％時，擠壓態(tài)合金的熱導率低于鑄態(tài)合金的熱導率，然而當Mn>1.2wt.%時，擠壓態(tài)合金的熱導率高于鑄態(tài)合金的熱導率，由于Mn在鎂基體中的固溶度較低，擠壓處理使得大量納米級Mn顆粒從鎂基體中析出。與擠壓態(tài)

7、Mg–Al和Mg–Zn合金比較，當原子含量大于0.5at.%時，擠壓態(tài)Mg–Mn合金的熱導率大于擠壓態(tài)Mg–Al和Mg–Zn合金的熱導率。
　　為開發(fā)具有高熱導率和力學性能較優(yōu)的鎂合金材料，研究了Ce元素對鑄態(tài)和擠壓態(tài)ZM21合金組織和熱導率的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)鑄態(tài)ZM21–0.2Ce合金的熱導率高于鑄態(tài)ZM21和ZM21–0.6Ce合金的熱導率，并且擠壓態(tài)合金的熱導率隨著Ce含量的增加而逐漸增加，擠壓態(tài)ZM21–0.6Ce合金的熱導

8、率為133.3 W/(mK)。與此同時，擠壓態(tài)合金的熱導率高于鑄態(tài)合金的熱導率，這與擠壓處理使得 Mn顆粒和一些含Ce相析出有關。同時，織構對擠壓態(tài)鎂合金的熱導率有顯著的影響。
　　為研究擠壓變形工藝對鎂合金熱導率的影響規(guī)律，以ZM21–0.2Ce合金為研究對象，研究擠壓溫度對鎂合金熱導率的影響，隨著擠壓溫度的增加，未動態(tài)再結晶的體積分數(shù)逐漸降低，再結晶晶粒的平均晶粒尺寸逐漸增加。ZM21–0.2Ce合金的熱導率隨著擠壓溫度的增加

9、先增加后降低，在400℃擠壓時合金的熱導率達到最高131.0 W/(mK)。
　　為了開發(fā)具有高熱導率和中等強度的鎂合金材料，以Mg–0.5Mn合金為基礎，研究Ce元素對Mg–0.5Mn合金組織、熱導率和力學性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)Ce元素的添加可以顯著細化鑄態(tài)和擠壓態(tài)合金的顯微組織，可以弱化擠壓態(tài)合金的織構強度。鑄態(tài)Mg–0.5Mn合金的熱導率隨著Ce含量的增加而逐漸降低，但是下降的斜率逐漸減小，這歸因于隨著Ce含量的增加，過量

10、的Ce元素將會以Mg12Ce的形式存在。擠壓態(tài)Mg–0.5Mn–0.3Ce合金的熱導率高于其他擠壓態(tài)合金的熱導率，其熱導率為139.7 W/(mK)。此外，除Mg–0.5Mn–0.6Ce合金以外，擠壓態(tài)合金的熱導率高于鑄態(tài)合金的熱導率?？棙嬋趸棺冃螒B(tài)合金的熱導率得到一定程度的增加。同時，Ce元素的添加可以顯著提高擠壓態(tài)合金的屈服強度和抗拉強度。擠壓態(tài)Mg–0.5Mn–0.3Ce合金表現(xiàn)出最優(yōu)的力學性能：屈服強度、抗拉強度和延伸率分別為