不同拉伸速度对Mg-3Zn-Y合金导热性能的影响

胡延昆 李秋书 李建文 郭会玲

(太原科技大学材料科学与工程学院，山西030024)

不同拉伸速度对Mg-3Zn-Y合金导热性能的影响

胡延昆 李秋书 李建文 郭会玲

(太原科技大学材料科学与工程学院，山西030024)

采用定向凝固技术，研究了一定温度梯度下不同拉伸速度对Mg-3Zn-Y合金导热性能的影响。研究表明，随着拉伸速度的增加，柱状晶的平均宽度逐渐变窄，合金的热导率先增加后降低。

Mg-3Zn-Y合金；拉伸速度；热导率

纯镁的导热系数高达158 W/(m·K)，满足轻量化的要求，但其力学性能、高温性能不足，研究具有高导热，同时拥有优良的力学性能的镁合金成为众多行业的热门需求[1]。Zn元素与Mg元素原子半径相近，化合价相同，因此Zn固溶于镁基体引起的晶格畸变较小，不会对镁合金导热性能造成过多影响，而且适量Zn元素能够提高镁合金的室温力学性能[2]。Y元素主要可以与Zn相结合，形成金属间化合物，弥散分布于晶界或基体中，具有弥散强化作用，可以显著提高力学性能，尤其是高温性能[3]。定向凝固技术是一种新型凝固工艺，通过控制特定方向的温度梯度来获得与热流方向相反的凝固组织，对单一方向上的导热性能研究具有很高的研究价值[4]。因此，本文采用定向凝固技术，研究了一定温度梯度下，不同拉伸速度对Mg-3Zn-Y合金导热性能的影响。

1 实验材料和方法

实验材料为Mg-3Zn-Y合金，采用纯镁块(99.9%)、纯锌粒(99.9%)和Mg-30%Y中间合金按照质量分数比Mg∶Zn∶Y接近96∶3∶1配比而成。将称量好的纯镁放在中频感应加热炉坩埚内加热，加热至720℃左右，向坩埚内加入锌和镁钇中间合金，搅拌均匀，后加入适量的精炼剂(RJ-2)精炼5 min～8 min。加热过程中不断向熔体表面通入氩气，防止镁与空气中的氧气发生氧化作用。温度升至760℃，然后保温8 min～10 min，再降温至700℃进行除渣。最后680℃左右浇注，浇注试样呈棒状。将试样棒放入定向凝固设备，进行定向凝固实验。图1为定向凝固加热系统简图。

图1 定向凝固加热系统简图Figure 1 The sketch of directional solidification heating system

实验制备完成后，定向凝固试样沿横、纵向剖开，表面剖光，使用4%的硝酸酒精进行腐蚀，在光学显微镜下进行组织观察。并用XRD衍射仪分析合金的相组成，使用TH2512型智能直流低电阻测试仪测试电阻，通过计算得出试样的热导率。

2 结果与讨论

2.1 合金的相组成

图2为铸态和不同拉伸速度下Mg-3Zn-Y合金XRD衍射图谱。由图2可以看出，Mg-3Zn-Y 合金主要由α-Mg 相与Mg3Zn6Y相组成。随着拉伸速度的增加，第二相衍射峰逐渐增强，表明第二相数量上的增多，这是由于溶质原子的扩散收到了定向凝固的影响。

2.2 拉伸速度对定向凝固组织的影响

图3为不同拉伸速度下Mg-3Zn-Y合金显微组织。铸态组织呈现明显的等轴晶形态，而定向凝固组织则是典型的柱状晶形态。另外，还可以看出随着拉伸速度的增大，柱状晶的宽度逐渐变窄，原因主要有两点[5-6]：第一，拉伸速度增大，非均质形核能力增强，形核越多，柱状晶的宽度越窄；第二，拉伸速度增大，固液界面前方过冷区域逐渐变窄，柱状晶的宽度变窄。此外，从图3明显看出随着拉伸速度的增加，第二相数量增多，这与XRD图谱切合。

2.3 拉伸速度对Mg-3Zn-Y导热性能的影响

合金热传导的主要载体为自由电子，高导电合金必然具有高导热的性质[7]。试验测得电阻，通过R=ρl/s计算得到电阻率ρ，电导率σ=1/ρ，并运用魏德曼-弗兰兹定律数学表达式：λ/σT=L0(其中，λ是金属的热导率，σ是金属的电导率，T是绝对温度，L0是洛伦兹数，L0=2.45×10-8W·Ω/K2)来计算样品的热导率λ，室温时T=293 K。Mg-3Zn-Y合金拉伸速度与导热系数的关系见表1。

图2 Mg-3Zn-Y合金XRD 衍射图谱Figure 2 XRD diffraction spectrum of Mg-3Zn-Y alloy

(a)(b)(c)(d)

表1 Mg-3Zn-Y合金拉伸速度与导热系数的关系Table1 The relation between the stretching velocity and the thermal conductivity of Mg-3Zn-Y alloy

图4 不同拉伸速度下Mg-3Zn-Y合金的导热性能Figure 4 The thermal conductivity of Mg-3Zn-Y alloy with different stretching velocities

图4为不同拉伸速度下Mg-3Zn-Y合金的导热性能。从图4可以看出，定向凝固以后合金的热导率均有上升，而随着拉伸速度的增加，合金的热导率先增加后降低。当凝固速度为10μm/s时，热导率有最大值147.73 W/(m·K)，相比于铸态合金提高了8.2%。分析认为，合金热导率的值可以被固溶原子、沉淀相、晶体缺陷等因素影响，这对于电子来说是散射中心，会降低电子的平均自由程，导致热导率的下降[8-9]。定向凝固技术减少了横向晶界，组织方向性好，大大提高了单方向性能。合金第二相的存在就像是一个大的杂质团聚地，成为电子的散射中心，直接的后果是降低了电子传输电流和热的能力。随着拉伸速度的增加，第二相Mg3Zn6Y逐渐增多，导致了热导率的逐渐下降。

3 结论

(1)Mg-3Zn-Y合金主要由α-Mg相与Mg3Zn6Y相组成。随着拉伸速度的增加，第二相衍射峰逐渐增强，第二相数量增多。

(2)随着拉伸速度的增加，Mg-3Zn-Y合金柱状晶的平均宽度逐渐变窄。

(3)定向凝固以后Mg-3Zn-Y合金的热导率均有上升，随着拉伸速度的增加，合金的热导率先增加后降低。当凝固速度为10 μm/s时，热导率有最大值147.73 W/(m·K)，相比于铸态合金提高了8.2%。

[1] 应韬.纯镁和二元镁合金的导热行为研究[D].黑龙江：哈尔滨工业大学，2015.

[2] 袁家伟.高导热Mg-Zn-Mn合金及其性能研究[D].北京：北京有色金属研究总院，2013.

[3] 陈捷.Mg-Zn-Y合金组织与力学性能分析[D].沈阳：沈阳工业大学，2014.

[4] 问亚岗，崔春娟，田露露，等.定向凝固技术的研究进展与应用[J].材料导报，2016,30(2):116-120.

[5] 郭璐，李秋书，张炎，等.结晶速度对Mg-1.5Mn-Al合金凝固组织和性能的影响[J].铸造设备与工艺，2015(3)：35-37.

[6] 刘海霞，吴强，司乃潮.不同拉伸速度对Al-5%Cu定向凝固组织的影响[J].铸造，2005,54(1):40-42.

[7] 杨迎新，张乐平，钟建华.提高6063铝合金导热性能的途径探讨[J].金属功能材料，2004,11(3):23-24.

[8] 王春明，陈云贵，肖素芬.导热镁合金的研究与开发现状[J].稀有金属材料与工程，2015,44(10):2596-2600.

[9] PAN Hucheng，PAN Fusheng，YANG Rumin,et al.Thermal and electrical conductivity of binary magnesium alloys[J].Journal of Materials Science,2014, 49(8):3107-3124.

编辑 杜青泉

Influence of Different Stretching Velocities on Thermal Conductivity of Mg-3Zn-Y Alloy

Hu Yankun, Li Qiushu, Li Jianwen, Guo Huiling

By adopting the directional solidification technology, the influence of different stretching velocities under a certain temperature gradient on the thermal conductivity of Mg-3Zn-Y alloy has been studied. The results show as the stretching velocity increases, the average width of columnar crystal narrows down gradually, and the thermal conductivity of alloy increases at first and then decreases later.

Mg-3Zn-Y alloy; stretching velocity; thermal conductivity

2016—09—24

晋城市科技计划项目(No.201501004-13)；山西省研究生创新项目(2016BY137)

胡延昆(1990—)，男，硕士，主要从事轻质高强金属结构材料研究。

TG146.2+2

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