熱處理對Mg- Sm- Zn- Zr合金組織、散熱性能和力學性能的影響

張書強 胡玲飛 姜廉瑜 吳廣新 張捷宇

(省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點試驗室、上海市鋼鐵冶金新技術開發應用重點試驗室和上海大學材料科學與工程學院，上海 200072)

作為21世紀最具前景的輕質材料，鎂合金具有很多優點，如比強度高、密度低、導熱性好等，受到了人們的廣泛關注[1]。研究發現，在鎂合金中加入微量稀土元素可以起到提升材料拉伸性能和鑄造性能的作用[2- 3]。其中稀土Sm在Mg中的固溶度比Nd、La、Ce、Pr等其他稀土元素高，可通過固溶強化、時效強化以及細晶強化等進一步提升鎂合金的性能[4]。朱蓓蓓等[5]研究了Mg- Sm二元合金的組織和力學性能，發現合金的鑄態組織主要由Mg基體和第二相Mg41Sm5組成，經過固溶處理及時效處理后，Mg- Sm合金的力學性能要好于Mg- Nd合金。袁明等[6]針對一種新型耐熱鎂合金，研究了熱處理工藝對該體系合金組織和力學性能的影響，發現合金經固溶處理后具有較優的顯微結構，經過時效處理后，合金的抗拉強度增大，斷后伸長率減小。

研究發現鎂合金的散熱性能與合金的純度和元素的存在形式有關[7]。但目前對鎂合金散熱性能的研究并不多，而開發新型散熱合金材料對鎂資源的高價值利用及散熱材料輕量化都有著重要的意義。本文采用正交試驗方法，研究了固溶時間ts、時效溫度Ta和時效時間ta對Mg- 5.0Sm- 0.6Zn- 0.5Zr(質量分數，%)合金的顯微組織、散熱性能和力學性能的影響，以期為該體系合金的熱處理工藝優化提供依據。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料制備

試驗材料為Mg- Sm- Zn- Zr鑄造鎂合金，表1為其ICP成分檢測結果。

表1 鑄態Mg- Sm- Zn- Zr合金的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of as- cast Mg- Sm- Zn- Zr alloy (mass fraction) %

1.2 正交試驗方案設計

通過前期試驗及對相關體系固溶溫度的文獻調研，選擇固溶溫度Ts為520 ℃，故L9(34)正交表中主要考慮固溶時間ts、時效溫度Ta與時效時間ta三個因素，各因素安排三個水平進行試驗，并加入誤差列，因素水平表如表2所示。

1.3 性能測試

使用管式電阻爐對合金進行熱處理。試樣經4%硝酸酒精溶液腐蝕后，使用光學顯微鏡觀察鎂合金的顯微組織。依據GB/T 228.1—2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》中螺紋圓形短試樣標準，加工拉伸試樣，并在RWS200電子萬能試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速率為1 mm/min。

表2 正交試驗的因素水平表Table 2 Experimental factors and levels

利用散熱性能測試平臺[8]對鑄態及熱處理態的樣品進行熱模擬試驗，模擬散熱材料實際工作環境，用熱電偶采集樣品上的溫度分布，進而評估樣品的綜合散熱能力。試驗中冷端給定環境溫度為-30 ℃，熱端給定保溫溫度為200 ℃，當達到穩態時，記錄溫度分布曲線。散熱試驗樣品尺寸為160 mm×10 mm×10 mm，并將兩個端面拋光，保證受熱均勻。

2 試驗結果與分析

2.1 熱處理對Mg- Sm- Zn- Zr合金顯微組織的影響

表3為正交試驗方案及各考察指標試驗結果，加入鑄態試驗結果(編號10)作為對比。

圖1為鑄態Mg- 5.0Sm- 0.6Zn- 0.5Zr合金的金相照片。可見鑄態合金主要由鎂基體及共晶第二相Mg41Sm5組成，其中第二相含量較高且比較粗大，主要沿晶界分布。圖2分別為9組正交試驗所對應的顯微組織照片。對比可見，熱處理后合金的晶粒尺寸相比鑄態組織顯著增大，晶界上的離異共晶第二相含量大幅度減少，顯示出清晰平整的晶界，且時效處理析出的第二相尺寸明顯比鑄態析出的第二相細小。熱處理后，晶粒內部出現了團聚狀的相，通過能譜分析發現Zr元素富集在該相中，在含Zr的稀土鎂合金中這種相較常見[9]，部分為ZrH化合物和ZnZr化合物，且主要位于晶體內部。類似的析出相在含Zr的Mg- Nd體系合金中也有發現[9- 10]。圖3是經過520 ℃×4 h+200 ℃×10 h處理后樣品的面掃描能譜分析圖，結果表明經過固溶時效處理后，合金晶界處的第二相含量大幅度減少但仍存在，Sm元素主要在第二相中富集，Zn和Zr元素由于含量很少，在EDS面掃描中分布并不明顯。

表3 正交試驗方案及結果Table 3 Arrangements and test results of the orthogonal experiment

圖1 鑄態合金的金相照片Fig.1 Optical microstructure of as- cast alloy

表4為經不同熱處理后合金平均晶粒尺寸的正交分析結果。由極差分析可知試驗三因素對晶粒尺寸的影響順序為ts>Ta>ta。方差分析主要是通過F檢驗和P檢驗來考量各因素對指標影響的顯著性。圖4為平均晶粒尺寸隨三因素的變化情況，結合表4的P檢驗結果得出三因素對平均晶粒尺寸的影響順序為ts>Ta>ta，與極差分析結果一致，其中ts影響顯著。隨著ts的延長和Ta的升高， 合金的晶粒尺寸先減小后增大， 隨著ta的延長，晶粒尺寸不斷增大。熱處理后合金晶粒長大主要是因為固溶處理時，晶界處的第二相逐漸溶解，而時效時晶粒內部逐漸析出第二相，從而大幅度減弱對晶界的釘扎作用，同時熱處理溫度越高，原子擴散系數也越大，晶界的遷移更加容易，使得晶粒容易長大。

圖2 不同工藝熱處理后合金的顯微組織Fig.2 Microstructures of the alloys heat treated with different procedures

圖3 2號合金熱處理后的面掃描能譜分析Fig.3 EDS element mapping analysis of alloy No.2 after heat treatment

表4 平均晶粒尺寸的正交分析表Table 4 Orthogonal analysis result of the average grain size

注：“**“表示對指標影響顯著，“*”表示對指標有一定影響，“o“表示對指標影響很小

圖4 三因素對合金平均晶粒尺寸的影響Fig.4 Effect of three factors on the average grain size of alloys

2.2 熱處理對Mg- Sm- Zn- Zr合金力學性能的影響

通過對比表3中9組正交試樣的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率，可以發現經過固溶、時效處理后，Mg- 5.0Sm- 0.6Zn- 0.5Zr合金的抗拉強度、屈服強度相比鑄態有較大提升，大部分試樣的斷后伸長率也有所增加。表5～7分別對應三因素的極差與方差分析結果，圖5～7為三因素對合金力學性能的影響。分析可知，三因素對合金抗拉強度的影響順序為Ta>ts>ta，隨著Ta的升高，抗拉強度先增大后減小，隨著ts的延長，抗拉強度有所提高，隨著ta的延長，抗拉強度先增大后趨于不變；三因素對合金屈服強度的影響順序為Ta>ta>ts，其中Ta的影響最顯著，隨著ts的延長和Ta的升高，屈服強度均先增大后減小，隨著ta的延長，屈服強度不斷增大；三因素對合金斷后伸長率的影響順序為Ta>ta>ts，其中Ta影響顯著，ts和ta的影響較弱，隨著Ta的升高和ta的延長，斷后伸長率先增大后減小，隨著ts的延長，斷后伸長率不斷減小。

表5 抗拉強度的正交分析表Table 5 Orthogonal analysis result of the tensile strength

表6 屈服強度的正交分析表Table 6 Orthogonal analysis result of the yield strength

注：“***”表示對影響十分顯著，“o”表示對指標影響很小

表7 斷后伸長率的正交分析表Table 7 Orthogonal analysis result of the elongation

圖5 三因素對抗拉強度的影響Fig.5 Effect of three factors on the tensile strength

試驗采用T6工藝，即固溶+時效處理，固溶處理主要使稀土元素最大限度溶入α- Mg基體，進而形成過飽和固溶體，在后續時效處理過程中，再次析出穩定的第二相，起到析出強化的作用，改善合金的組織和性能。有研究表明[12]，基體中穩定的第二相起到對位錯的釘扎作用， 阻礙位錯的攀移和滑移，從而提升合金的強度。但當合金中稀土元素含量達到一定程度后，容易在晶界處產生偏析，形成Mg- RE或Mg- Zn- RE化合物[13]，由于這些化合物是脆性的，所以此時合金容易發生斷裂，這也是時效處理后合金的抗拉強度與屈服強度得到提升，而隨著ta的延長斷后伸長率下降的主要原因。綜合力學性能的試驗結果和正交分析得出試驗合金獲得較好力學性能的最佳熱處理工藝為520 ℃×8 h+200 ℃×10 h。

圖6 三因素對屈服強度的影響Fig.6 Effect of three factors on the yield strength

圖7 三因素對斷后伸長率的影響Fig.7 Effect of factors on the elongation

2.3 熱處理對Mg- Sm- Zn- Zr合金散熱性能的影響

通過散熱平臺的熱模擬試驗傳熱過程主要包括爐腔內氣體與樣品的對流換熱以及樣品內部的熱傳導。利用牛頓冷卻公式Q=hAΔtm來表示對流換熱過程的換熱量，其中Q、h、A、Δtm分別表示換熱量、對流換熱系數、換熱面積以及對流氣體和固體之間的平均溫度差。其中h主要取決于流體流動的狀態及換熱表面形狀尺寸等幾何因素，與固體性質無關，故各組試驗中保證了對流換熱系數和接觸面積一致，因此熱對流氣體與對流界面上固體溫度差Δtm越大，則說明單位散熱面積的換熱量越多，即樣品的散熱能力更強。將最靠近熱端的測溫點T近似作為對比項，Δtm為熱端爐溫Th與T的差值。

氣固溫差Δtm的極差和方差分析結果如表8所示。為便于直觀分析，將Δtm隨各因素的變化情況用圖8表示，結合極差與方差分析可知，試驗三因素對合金散熱性能的影響順序為ta>Ta>ts，其中ta的影響比較顯著，ts與Ta的影響相對較弱。隨著ta的延長和ts的縮短，材料的散熱性能逐漸上升。

表8 氣固溫差Δtm的正交分析表Table 8 Orthogonal analysis result of the temperature difference Δtm

圖8 三因素對合金Δtm的影響Fig.8 Effect of three factors on the temperature difference Δtm

根據正交分析得出，當選擇熱處理方案為520 ℃×4 h+180 ℃×40 h時，該體系合金的散熱性能最好。對此方案進行散熱試驗驗證，得到200 ℃穩態條件下合金的Δtm值為63 ℃，高于其他熱處理試樣，說明此優化方案是可信的，其散熱性能比鑄態合金有了明顯的提升。試驗測得正交試驗樣品及優化樣品達到穩態時的T-X曲線如圖9所示。

合金的導熱性能主要與基體內固溶的合金元素量有關。當基體內固溶大量合金元素時會發生晶格畸變，晶格畸變的產生可以使材料強度升高，同時增強電子的散射作用，使得熱導率下降。此外合金的導熱性能與平均晶粒尺寸也有一定關系，如圖10所示，試驗中氣固溫差Δtm值與平均晶粒尺寸d的關系可擬合為Δtm=0.45d+35.59，當平均晶粒尺寸增大時，氣固溫差Δtm增大，即合金的導熱性能增強。分析其原因是：合金主要通過電子和聲子導熱進行熱傳導，每個粒子攜帶著能量并通過與其他粒子的碰撞來實現能量交換，晶界對粒子的運動起到阻礙作用，故減小晶界所占分數即增大晶粒尺寸是提升熱導率的有效途徑[11]。因此對于進行時效處理的合金，基體中合金元素量隨著第二相的析出而減少，并且熱處理后的晶粒尺寸有所增大，故相比鑄態合金有更好的散熱性能。本文正交試驗的各組試樣都進行了固溶處理時效處理，故整體上Δtm值相比鑄態試樣有所增大，但小部分試樣的Δtm值略小于鑄態試樣，可推測為其時效處理未能達到效果。

圖9 200 ℃穩態時9組樣品的T- X曲線Fig.9 Temperature and position curves of nine samples at steady state of 200 ℃

圖10 平均晶粒尺寸與Δtm之間的關系Fig.10 Relationship between average grain size and Δtm

根據以上正交試驗結果及分析，綜合考慮各個指標影響，得到當熱處理制度為520 ℃×4 h+200 ℃×40 h時，合金可獲得較好的綜合性能，即散熱性能良好同時兼顧了力學性能。

3 結論

(1)固溶及時效處理能夠明顯提升Mg- 5.0Sm- 0.6Zn- 0.5Zr合金的力學性能。隨著時效溫度Ta的升高，抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率均先增大再減小；隨著時效時間ta的延長，抗拉強度和屈服強度不斷增大，斷后伸長率先增大后大幅度減小。合金獲得較好力學性能的熱處理工藝為520 ℃×8 h+200 ℃×10 h。

(2)通過極差與方差分析，發現時效工藝對Mg- 5.0Sm- 0.6Zn- 0.5Zr合金的散熱性能影響顯著。隨著時效溫度Ta的升高，合金的散熱性能先下降后上升，隨著時效時間ta的延長，合金的散熱性能明顯提升。合金獲得較好散熱性能的熱處理工藝為520 ℃×4 h+180 ℃×40 h。對合金的平均晶粒尺寸進行分析，得出當平均晶粒尺寸增大時，合金的散熱能力隨之增強，說明晶界所占分數高時不利于導熱。

(3)結合散熱性能與力學性能的正交分析，得出熱處理制度為520 ℃×4 h+200 ℃×40 h時合金可獲得較好的綜合性能，此時具有較好的散熱性能和較高的抗拉強度、屈服強度，但斷后伸長率會略有降低。