稀土鎂合金導(dǎo)熱性能及高導(dǎo)熱鎂合金研究.pdf

1、具有質(zhì)輕、高比強(qiáng)度和比剛度的鎂合金材料若能夠同時(shí)兼得良好的力學(xué)性能及導(dǎo)熱性能，其在發(fā)熱器材散熱元件、3C電子產(chǎn)品及發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等特殊結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用將會(huì)得到極大地?cái)U(kuò)展?；诖?，在前期已研究鎂合金常用合金元素對(duì)純鎂熱導(dǎo)率影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，本文探討了化學(xué)成分和變形工藝參數(shù)對(duì)鎂合金導(dǎo)熱性能影響規(guī)律及其作用機(jī)制，主要內(nèi)容為研究Ce、Nd、Y和Gd等稀土元素對(duì)鎂合金組織和熱導(dǎo)率的影響規(guī)律；分析時(shí)效處理過程中的第二相析出與鎂基體之間的界面關(guān)系及其對(duì)鎂合

2、金熱導(dǎo)率的影響規(guī)律；通過合金化和工藝調(diào)整獲取了兼具高熱導(dǎo)率和優(yōu)良力學(xué)性能的鎂合金材料。論文取得以下主要結(jié)論：
　　對(duì)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?jǐn)?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(dǎo)率均隨著稀土元素添

3、加量的增加而逐漸降低。對(duì)于Mg–Nd、Mg–Y及Mg–Gd合金，固溶處理會(huì)降低鑄態(tài)合金的熱導(dǎo)率，然而，固溶態(tài)Mg–Ce合金的熱導(dǎo)率高于鑄態(tài)合金的熱導(dǎo)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(xì)小彌散地分布于鎂基體中。不同的稀土元素對(duì)純鎂的熱導(dǎo)率影響程度存在顯著的差異，稀土元素對(duì)純鎂熱導(dǎo)率的影響程度順序?yàn)椋篊e

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

5、，鎂基體與析出相的界面關(guān)系為共格界面。當(dāng)時(shí)效8-24h時(shí)，合金的熱導(dǎo)率隨時(shí)效時(shí)間的增加呈線性增加，且在24h時(shí)合金的顯微硬度達(dá)到峰值為98.5±3.6HV，此時(shí)合金的熱導(dǎo)率為56.9 W/(mK)。當(dāng)時(shí)效300h時(shí)，合金的熱導(dǎo)率達(dá)到峰值為75.7 W/(mK)。Mg-12Gd合金在498K下時(shí)效時(shí)，合金熱導(dǎo)率與析出相體積分?jǐn)?shù)和析出相與鎂基體之間的界面關(guān)系有關(guān)。
　　鑄態(tài)二元Mg–Mn合金的晶粒尺寸較大，Mn元素幾乎沒有細(xì)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(dāng)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(gòu)，并且有大量的納米級(jí)析出相。鑄態(tài)和擠壓態(tài)Mg–Mn合金的熱導(dǎo)率均隨著Mn含量的增加而逐漸降低，并且當(dāng)Mn<1.2wt.％時(shí)，擠壓態(tài)合金的熱導(dǎo)率低于鑄態(tài)合金的熱導(dǎo)率，然而當(dāng)Mn>1.2wt.%時(shí)，擠壓態(tài)合金的熱導(dǎo)率高于鑄態(tài)合金的熱導(dǎo)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(jí)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(dāng)原子含量大于0.5at.%時(shí)，擠壓態(tài)Mg–Mn合金的熱導(dǎo)率大于擠壓態(tài)Mg–Al和Mg–Zn合金的熱導(dǎo)率。
　　為開發(fā)具有高熱導(dǎo)率和力學(xué)性能較優(yōu)的鎂合金材料，研究了Ce元素對(duì)鑄態(tài)和擠壓態(tài)ZM21合金組織和熱導(dǎo)率的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)鑄態(tài)ZM21–0.2Ce合金的熱導(dǎo)率高于鑄態(tài)ZM21和ZM21–0.6Ce合金的熱導(dǎo)率，并且擠壓態(tài)合金的熱導(dǎo)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(dǎo)

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

9、先增加后降低，在400℃擠壓時(shí)合金的熱導(dǎo)率達(dá)到最高131.0 W/(mK)。
　　為了開發(fā)具有高熱導(dǎo)率和中等強(qiáng)度的鎂合金材料，以Mg–0.5Mn合金為基礎(chǔ)，研究Ce元素對(duì)Mg–0.5Mn合金組織、熱導(dǎo)率和力學(xué)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(xì)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(gòu)強(qiáng)度。鑄態(tài)Mg–0.5Mn合金的熱導(dǎo)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(huì)以Mg12Ce的形式存在。擠壓態(tài)Mg–0.5Mn–0.3Ce合金的熱導(dǎo)率高于其他擠壓態(tài)合金的熱導(dǎo)率，其熱導(dǎo)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(dǎo)率高于鑄態(tài)合金的熱導(dǎo)率?？棙?gòu)弱化使變形態(tài)合金的熱導(dǎo)率得到一定程度的增加。同時(shí)，Ce元素的添加可以顯著提高擠壓態(tài)合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。擠壓態(tài)Mg–0.5Mn–0.3Ce合金表現(xiàn)出最優(yōu)的力學(xué)性能：屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為