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综述:镁合金的导热系数研究最新进展!

 材料科学网 2020-03-20

随着3C产品(计算机,通信和消费产品)的高度集成,消除电子部件和热交换器运行过程中产生的过多热量变得更加迫切,因为这些热量会导致部件由于过热或变形而失效。对具有优异散热和机械性能的材料需求正在迅速增加。选择适当导热率的材料对于实现组件的最佳性能显得非常重要。镁及其合金是质量轻的金属结构材料,因具有密度低,比强度高和刚度高等优点,在3C电子产品,汽车,航空航天等领域具有极其广泛的应用。纯Mg的导热系数为156 W m-1 K-1,相对低于铜(Cu,398 W m-1K-1)和铝(Al,237 W m-1 K-1),尽管如此,纯镁的机械性能却仅有拉伸强度(UTS)11.5 MPa,屈服强度(YS)2.5 MPa,不足以满足作为结构材料的实际需求。

通常,将合金元素添加到α-Mg基体中是改善纯机械性能的常用方法,但添加可以不同程度地降低其导热系数。因此,增强镁合金的导热系数非常重要。镁合金由于其较小的热容量和更好的发热量,且具有作为散热材料的巨大潜力。耗散效应要比铝合金高。为此,将系统地阐述了当前几种具有代表性的镁合金如Mg-Zn,Mg-Al,Mg-Mn和Mg-RE的导热性的研究。

1.  Mg–Zn系列合金

Zn是最重要的合金元素之一,在低共熔温度下,其在α-Mg基质中的最大固溶度为6.2wt%。Zn的热导率和热扩散率分别为116 W m-1 K 11和42 m2 s-1,低于Mg的156 W m-1K-11和87.6 m2 s-1。Mg-Zn二元合金由于晶粒粗大而显示出高导热率和较差的机械性能。为了平衡热导率和机械性能,必不可少的是添加其他合金元素以细化微观结构。目前,已经成功开发了Mg-Zn-RE,Mg-Zn-Zr,Mg-Zn-Mn和Mg-Zn-Cu合金。研究可以发现,无稀土的Mg-Zn系列合金总体上比Mg-Zn-RE合金具有更高的热导率和更低的机械性能。

特别是,在锌的最大固溶度范围内,Mg-Zn二元合金的热导率高于100 W m-1 K-11。通过添加合金元素,特别是Zr元素,可增加Zn在α-Mg基质中的固溶度,从而减弱晶格畸变并改善导热性。此外,添加Zr还可以显着细化晶粒并改善Mg-Zn合金的机械性能。特别是,在峰值时效Mg-2Zn-Zr合金的情况下,热导率为132.1 W m-1 K-11,UTS为279MPa,YS为196MPa,伸长率(El)为25.2%。Mg-2Zn-Zr合金的轧制,退火和随后的时效工艺可以很好地协调热导率和机械性能。Mg-Zn-Mn三元合金由于无RE和低成本的优点而被广泛研究,其热导率和UTS分别高于120 W m-1 K-11和280MPa。众所周知,在所有常用的结构金属中,Cu(398 W m-1 K-11)的热导率都很高。Cu的含量可以显着提高共晶温度,并进一步提高Mg-Zn合金的热导率。Pan等人开发了一种时效的Mg-6Zn-1.0Cu合金,该合金具有128.9 W m-1 K-11的优良导热性和94 HV的显微硬度。他们认为,MgZnCu相加速析出归因于Zn,Cu与空位之间的良好相互作用。

通常,含稀土的Mg-Zn合金在高温下表现出优异的机械性能和抗蠕变性。由于应用需求,使Mg-Zn-RE合金的UTS和YS达到500 MPa以上的高强度是一个至关重要的目标。这些稀土元素通常包括Er,Y,Gd等。Zhao等探究了具有不同重量比的Zn / Er的铸态Mg-Zn-Er合金,结果表明只有W相(Mg3Zn2Er3,面心立方)或I相(Mg3Zn6Er1,当比率小于1或在6-10之间时,存在二十面体准晶体。不同的相对Mg-Zn-RE合金的热导率有各种影响。考虑到W相的影响,Shi等人开发了具有W相的铸态Mg92Zn4Y4和Mg92Zn4Y3Gd1合金,结果表明,晶界中存在网状连续W相会提高晶界强化效果并消耗溶质元素。在基质中促进声子的长距离运动,从而改善热性能。从这些结果可以发现,Mg-Zn-RE合金的热导率比Mg-Zn二元合金的低。

2. Mg-Al系列合金

根据Mg-Al二元合金的相图,Al在α-Mg基体中的最大固溶度为12.7wt%。由于适当的机械性能,铸态和变形的Mg-Al系列合金得到了广泛的应用。然而铝的添加使镁合金的热导率急剧下降,这主要由于Al的固溶体,铸造的Mg–1.5Al合金的热导率仅为100 W m-1 K-11。在Mg-Al合金中,主要的强化相是Mg17Al12相,其熔点较低。Mg17Al12相易于在高温下软化和溶解,这与增加α-Mg基体中Al的浓度有关。这将导致Mg-Al合金的导热系数迅速下降。Mn,Sn,Zn和RE作为合金元素通常用于Mg-Al系列合金。这些合金元素易于形成高熔点相并同时还原Mg17Al12相。近年来,许多研究人员对Mg-Al系列合金的热导率进行了大量研究。研究可以发现,作为铸态AZ91合金的导热系数较低,为51.2 W m-1 K-11,铸态的AM20和AS21合金的导热系数分别为97 W m-1 K-11和68 W m-1 K-11。AS21合金导热系数下降的原因有两个,一个是所有的Al都溶解在α-Mg基体中,另一个是细小的Mg2Si沉淀物使导热系数显著降低。

3. Mg-Mn系列合金

Mg-Mn系列合金被认为是新型的Mg合金,具有优异的耐腐蚀性,良好的抗蠕变性和低成本。与纯Mg相比,添加0.5wt%Mn的Mg-Mn合金的热导率降低约20 W m-1 K-11,UTS改善约200MPa。随着Mn含量的增加,铸态和变形Mg-Mn合金的热导率降低。为了开发具有高强度和中等导热性的Mg-Mn合金,通常需要RE。例如,可以通过添加Ce来增强挤压Mg-Mn合金的UTS和YS,这主要与析出相有关。通常,挤压后的Mg–0.5Mn-xCe合金具有较高的热稳定性,并且电导率高于铸态。此外,挤压Mg-Mn合金的导热系数要比挤压Mg-Al和Mg-Zn合金的导热系数高。

4. Mg-RE系列合金

稀土元素不仅提高了强度而且还增强了Mg 合金的可塑性和耐腐蚀性。通常,添加的稀土可以显著地净化镁熔体并诱导强化的形成。不过,稀土可显着降低镁的导热系数合金。其中Mg-11Y-5 Gd-2Zn-0.5Zr时效合金导热系数仅为23 W m-1 K-11。将锌添加到二元或三元Mg-RE合金中LPSO(Mg12YZn,有序的长期堆放)结构可以在室温下实现优异的机械性能。导热系数的研究具有LPSO结构的Mg-RE合金成为新的热门话题,并有研究者认为LPSO结构会阻碍声子在晶粒内部或晶界的扩散。热导率降低的主要原因是LPSO结构、层错和晶界散射数目较多。

综上所述,Mg-Zn和Mg-Mn系列合金的电导率通常高于Mg-Al和Mg-RE系列合金的电导率。在镁合金的功能应用中,热导率和机械性能之间的平衡仍然是长期的挑战。应当更多地关注合金设计和优化制造工艺,从而开发具有优异热性能和机械性能的镁合金。

文:冯冯。参考文献: 

A review on thermal conductivity of magnesium and its alloys

/10.1016/j.jma.2019.08.002

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