论文部分内容阅读
具有质轻、高比强度和比刚度的镁合金材料若能够同时兼得良好的力学性能及导热性能,其在发热器材散热元件、3C电子产品及发动机壳体等特殊结构件上的应用将会得到极大地扩展。基于此,在前期已研究镁合金常用合金元素对纯镁热导率影响规律的基础上,本文探讨了化学成分和变形工艺参数对镁合金导热性能影响规律及其作用机制,主要内容为研究Ce、Nd、Y和Gd等稀土元素对镁合金组织和热导率的影响规律;分析时效处理过程中的第二相析出与镁基体之间的界面关系及其对镁合金热导率的影响规律;通过合金化和工艺调整获取了兼具高热导率和优良力学性能的镁合金材料。论文取得以下主要结论:对于铸态Mg–Ce、Mg–Nd、Mg–Y和Mg–Gd合金而言,随着稀土元素含量的增加,第二相的体积分数逐渐增加,经过固溶处理,除Mg–Ce合金以外,Mg–Nd、Mg–Y和Mg–Gd合金中的部分或者几乎全部的第二相都固溶于镁基体中。在铸态和固溶态下,Mg–Ce、Mg–Nd、Mg–Y和Mg–Gd合金的热导率均随着稀土元素添加量的增加而逐渐降低。对于Mg–Nd、Mg–Y及Mg–Gd合金,固溶处理会降低铸态合金的热导率,然而,固溶态Mg–Ce合金的热导率高于铸态合金的热导率,其原因是Mg–Ce合金在固溶处理过程中部分晶格缺陷得到消除,第二相不溶于镁基体且以更加细小弥散地分布于镁基体中。不同的稀土元素对纯镁的热导率影响程度存在显著的差异,稀土元素对纯镁热导率的影响程度顺序为:Ce<Nd<Y<Gd。在该四种稀土元素中,Ce元素对纯镁的热导率影响最小,其原因是Ce元素在镁基体中的固溶度很低。不同合金元素对纯镁的热导率影响程度存在差异的主要原因包括溶质原子与Mg原子的原子半径差异、溶质原子的核外电子排布情况、化合价以及合金元素在镁基体中的固溶度。通过研究时效处理对Mg–12Gd合金热导率的影响规律可知,随着时效时间的延长,析出相逐渐粗化,且合金的热导率和显微硬度逐渐增加。在时效初期(<4h),镁基体中析出大量的第二相,但是合金的热导率仅仅增加了3.7 W/(m·K),其原因是在时效初期,镁基体与析出相的界面关系为共格界面。当时效8-24h时,合金的热导率随时效时间的增加呈线性增加,且在24h时合金的显微硬度达到峰值为98.5±3.6HV,此时合金的热导率为56.9 W/(m·K)。当时效300h时,合金的热导率达到峰值为75.7 W/(m·K)。Mg-12Gd合金在498K下时效时,合金热导率与析出相体积分数和析出相与镁基体之间的界面关系有关。铸态二元Mg–Mn合金的晶粒尺寸较大,Mn元素几乎没有细化铸态组织的作用,在大晶粒内部存在一些α–Mn颗粒。当合金经过挤压处理后,合金的平均晶粒尺寸明显减小,挤压态合金出现典型的纤维织构,并且有大量的纳米级析出相。铸态和挤压态Mg–Mn合金的热导率均随着Mn含量的增加而逐渐降低,并且当Mn<1.2wt.%时,挤压态合金的热导率低于铸态合金的热导率,然而当Mn>1.2wt.%时,挤压态合金的热导率高于铸态合金的热导率,由于Mn在镁基体中的固溶度较低,挤压处理使得大量纳米级Mn颗粒从镁基体中析出。与挤压态Mg–Al和Mg–Zn合金比较,当原子含量大于0.5at.%时,挤压态Mg–Mn合金的热导率大于挤压态Mg–Al和Mg–Zn合金的热导率。为开发具有高热导率和力学性能较优的镁合金材料,研究了Ce元素对铸态和挤压态ZM21合金组织和热导率的影响规律,发现铸态ZM21–0.2Ce合金的热导率高于铸态ZM21和ZM21–0.6Ce合金的热导率,并且挤压态合金的热导率随着Ce含量的增加而逐渐增加,挤压态ZM21–0.6Ce合金的热导率为133.3 W/(m·K)。与此同时,挤压态合金的热导率高于铸态合金的热导率,这与挤压处理使得Mn颗粒和一些含Ce相析出有关。同时,织构对挤压态镁合金的热导率有显著的影响。为研究挤压变形工艺对镁合金热导率的影响规律,以ZM21–0.2Ce合金为研究对象,研究挤压温度对镁合金热导率的影响,随着挤压温度的增加,未动态再结晶的体积分数逐渐降低,再结晶晶粒的平均晶粒尺寸逐渐增加。ZM21–0.2Ce合金的热导率随着挤压温度的增加先增加后降低,在400℃挤压时合金的热导率达到最高131.0 W/(m·K)。为了开发具有高热导率和中等强度的镁合金材料,以Mg–0.5Mn合金为基础,研究Ce元素对Mg–0.5Mn合金组织、热导率和力学性能的影响规律。研究发现Ce元素的添加可以显著细化铸态和挤压态合金的显微组织,可以弱化挤压态合金的织构强度。铸态Mg–0.5Mn合金的热导率随着Ce含量的增加而逐渐降低,但是下降的斜率逐渐减小,这归因于随着Ce含量的增加,过量的Ce元素将会以Mg12Ce的形式存在。挤压态Mg–0.5Mn–0.3Ce合金的热导率高于其他挤压态合金的热导率,其热导率为139.7 W/(m·K)。此外,除Mg–0.5Mn–0.6Ce合金以外,挤压态合金的热导率高于铸态合金的热导率。织构弱化使变形态合金的热导率得到一定程度的增加。同时,Ce元素的添加可以显著提高挤压态合金的屈服强度和抗拉强度。挤压态Mg–0.5Mn–0.3Ce合金表现出最优的力学性能:屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为295.9MPa、320.9MPa和9.6%。