关键词： Mg-Zn-Mn合金   显微组织   导热性能   力学性能   合金化  

摘要： 随着科技不断进步,各类电子器件都朝着“高功率、高效率、高集成”的趋势发展。镁合金作为目前最轻的金属结构材料,具有高导热、优良的电磁屏蔽及阻尼性能,在轻质高导热结构材料领域应用前景广阔。但其导热与力学性能难以协同提升,是制约镁合金结构功能一体化应用的瓶颈。基于此,本文以Mg-1.5Zn-0.5Mn合金为研究对象,通过优化设计合金成分,采用稀土La元素进行合金化,系统地研究了La元素含量对ZM15镁合金显微组织、导热/力学性能的影响,阐明ZM15-x La合金组织演变机理、揭示其导热/强韧化机制,建立成分-组织-导热/力学性能关联,最终实现镁合金导热与力学性能协同提升。本文主要研究结论如下: (1)La元素可有效细化ZM15合金晶粒尺寸。在铸态合金中,ZML151合金晶粒尺寸最小(142.3μm),相比ZM15合金细化了65.2%,这主要归因于La元素加入后起到的成分过冷和促进第二相异质形核作用。在挤压态合金中,La元素可起到促进Mg-Zn-La相动态析出作用。其中微米级相产生PSN效应,增加了动态再结晶形核质点,促进再结晶过程;纳米级相则起到钉扎晶界作用,从而抑制再结晶晶粒长大,在这两个因素有效细化挤压态合金晶粒。其中ZML151合金晶粒尺寸为4.99μm,相比ZM15合金细化了75.9%。但是,当纳米级相增多时,对晶界钉扎作用增强,将抑制再结晶过程发生,导致挤压态ZML150、ZML151组织中出现部分高位错密度的未再结晶区。 (2)La元素促进了Mg-Zn-La相析出,从而减小了镁基体中Zn固溶原子含量,有利于提升ZM15合金的导热系数。由于Mn元素和La元素固溶度较低,在挤压过程中绝大部分以第二相形式析出。因此,挤压态ZML150、ZML151和ZML1515合金的导热系数高于相应的铸态合金,分别为135 W/(m·K)、130.3 W/(m·K)、125.6 W/(m·K),都高于ZM15合金的导热系数(124.9 W/(m·K)),此外,由于在挤压过程中晶粒c轴向最密排面的a轴转动,并且挤压方向平行于原子最密排面,从而导致挤压态合金的导热性能存在各向异性,其垂直挤压态方向的导热系数高于平行挤压方向。 (3)La元素可显著提升ZM15合金的强度,尤其是屈服强度。加入1 wt.%的La元素时,将ZM15合金抗拉强度和屈服强度分别从262 MPa、171 MPa提升至294 MPa、230 MPa。通过对屈服强度进行理论定量计算,表明细晶强化和位错强化是最主要的强化机制。此外,La元素还可以改善ZM15合金塑性,加入0.5wt.%的La元素时,ZML150合金塑性最好,延伸率为17.5%,相比ZM15合金提高了1.9%,主要归因于晶粒尺寸细化使塑性变形过程更加均匀。拉伸断口呈现出明显的韧性断裂特征,La元素加入后,合金断口韧窝数量急剧增加,形貌转变为细小且分布密集。但随着La元素含量进一步增加,由于Mg-Zn-La相尺寸增大,在拉伸过程中应力集中倾向更大,导致ZML151和ZML1515合金塑性降低。

关键词： 稀土镁合金   板材旋转挤压   挤压比   微观组织   力学性能  

摘要： 镁及其合金是最轻的金属材料,在航空航天、军事装备等领域具有重要的应用前景。传统的板材成形方法对晶粒细化、第二相分布和织构的影响有限,制约了合金的力学性能。采用旋转挤压成形工艺可使其累积应变量大幅增加,进而改善微观组织,提升其力学性能。在之前的研究基础上,通过降低挤压速度提升旋转速度进一步增加旋转参数对该工艺的影响,使用有限元模拟得出了新的最佳工艺参数,随后研究了不同凸模结构对旋转挤压工艺的影响,并确定了最优的凸模结构。在这基础上再研究挤压比对板材旋转挤压工艺的影响,因此本文引入不同挤压比参数,模拟不同挤压比下稀土镁合金板材的旋转挤压变形特性并选出最优挤压比进行物理验证。 本文首先在最优工艺参数下挤压出厚度T=20 mm的板材,深入研究该板材的微观组织演化规律,随后,通过对比不同挤压比条件下旋转挤压出板材的微观组织和力学性能,以验证最佳挤压比参数的可靠性,为提高稀土镁合金板材制备工艺提供了重要理论支持。本文主要路线为先通过有限元模拟分析旋转挤压成形特性,随后在中北大学自主研发的1250T旋转挤压机上开展物理实验,对旋转挤压工艺进行验证。将旋转挤压出的板材利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、电子背散射技术(EBSD)等表征手段研究旋转挤压工艺的组织演变规律,并通过测试其力学性能进行综合验证。 结果表明:在最优工艺参数下,使用“十字槽”开口凸模挤压时金属流动性好,成形效果更明显,基于此进一步对挤压比这一参数进行研究,模拟发现挤压比为～12时挤压出厚度为20 mm的板材成形效果最佳。 经过旋转挤压变形挤压出的板材变形程度最大的区域是边部,该区域距离旋转中心最远,旋转时扭矩最大,受强剪切应力与三向压应力的复合作用最强。在同一高度水平下,边部区域晶粒最细,经测量平均晶粒尺寸为～4.85μm,该区域的LPSO相破碎程度更高,动态再结晶分数最高,动态再结晶晶粒平均晶粒尺寸为～3.74μm。 旋转挤压过程中,动态再结晶行为既存在连续动态再结晶机制(CDRX),也存在有不连续动态再结晶机制(DDRX),这两种动态再结晶机制协同作用。特别是在边部区域发现了小的动态再结晶晶粒还在发生再结晶,其再结晶的机制则是以不连续动态再结晶机制为主(DDRX)。 挤压比最大时,旋转挤压出厚度T=20 mm的板材。其平均晶粒尺寸和动态再结晶晶粒尺寸最小,动态再结晶程度最高,织构强度最弱,第二相破碎程度最高,其力学性能最优,经计算其轴向与切向的最大抗拉强度和延伸率差异均小于10%,表现出较弱的各向异性,其边部与心部沿轴向延伸率最大差异仅为6.0%表现出良好的力学均匀性,从微观组织及力学性能测试可知挤压比为～12时挤压出厚度T=20 mm的板材最佳。

关键词： 镁合金   重力铸造   注射成型   固溶处理   时效处理   导热性能   力学性能  

摘要： 随着时代发展,科技日新月异,工业产品逐渐向着高性能、高散热方向发展。镁合金作为轻质材料,随着汽车等制造领域轻量化以及对散热性能的要求,人们开始开发具有良好的力学性能和导热性能的镁合金。Mg-Al-RE（稀土）合金作为耐热镁合金因其理想的轻质、高比强度和高温性能在汽车、航空航天和3C产品中发挥着不可替代的作用。其中Ce是一种成本较低而强化性能好的稀土元素,在镁合金中广泛应用。 本文以Mg-4Al-4Ce合金作为研究对象,并通过添加合金元素Y,得到Mg-4Al-4Ce-1Y合金,将两种合金进行对比。本实验采用高频真空感应熔炼炉来制备合金,并将重力铸造合金在高频真空注射装备中制备注射成型试样;利用热处理炉对两种合金进行热处理,通过SEM、EDS、万能试验机以及导热仪等设备系统地研究两种合金重力铸造、热处理及注射成型对其显微组织及导热、力学性能的影响,得到以下结论: （1）对于Mg-4Al-4Ce合金而言,它的相组成为α-Mg、Al11Ce3相、Al2Ce相及Mg17Al12相。固溶及时效后的相组成与重力铸造时的相组成一致。随着固溶及时效温度的升高,其力学性能都是先升高后降低的趋势,固溶在460℃达到最优,抗拉强度为192 MPa;时效则在225℃达到最优,抗拉强度为208 MPa。导热性能固溶时较重力铸造低,为83.3W/（m·K）,时效后导热性能较重力铸造高,为103.1 W/（m·K）。 （2）对Mg-4Al-4Ce-1Y经过单一温度固溶及时效,得到的相组成与重力铸造时的相组成一致,为α-Mg、Al11（Ce,Y）3相、Al2（Ce,Y）相及Mg17Al12相。通过对Mg-4Al-4Ce-1Y经过单一温度固溶及时效,得到的相组成与重力铸造时的相组成一致得到最好的固溶及时效温度,而其重力铸造、固溶、固溶+时效抗拉强度分别为187 MPa、199 MPa和215 MPa,导热性能固溶时较重力铸造低,为83.3 W/（m·K）,时效后导热性能较重力铸造高,为103.1 W/（m·K）。。 （3）注射成型Mg-4Al-4Ce合金的抗压强度为356.7 MPa,相比于重力铸造镁合金抗压强度253.5 MPa提升明显,这一现象是由于合金的细晶强化和位错强化作用。而注射成型Mg-4Al-4Ce-1Y合金的相组成也和重力铸造一致,其抗压强度为333.7 MPa,比重力铸造高;但添加Y的Mg-4Al-4Ce合金比不添加Y的Mg-4Al-4Ce合金力学性能差,原因是添加Y的合金发生了枝晶偏析,导致合金性能变差;而添加Y的注射成型Mg-4Al-4Ce合金的热导率为78.9 W/（m·K）,不添加Y的注射成型Mg-4Al-4Ce合金的热导率为86.3 W/（m·K）。