不同拉伸速度對Mg-3Zn-Y合金導(dǎo)熱性能的影響

胡延昆 李秋書 李建文 郭會玲

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

不同拉伸速度對Mg-3Zn-Y合金導(dǎo)熱性能的影響

胡延昆 李秋書 李建文 郭會玲

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

采用定向凝固技術(shù)，研究了一定溫度梯度下不同拉伸速度對Mg-3Zn-Y合金導(dǎo)熱性能的影響。研究表明，隨著拉伸速度的增加，柱狀晶的平均寬度逐漸變窄，合金的熱導(dǎo)率先增加后降低。

Mg-3Zn-Y合金；拉伸速度；熱導(dǎo)率

純鎂的導(dǎo)熱系數(shù)高達158 W/(m·K)，滿足輕量化的要求，但其力學(xué)性能、高溫性能不足，研究具有高導(dǎo)熱，同時擁有優(yōu)良的力學(xué)性能的鎂合金成為眾多行業(yè)的熱門需求[1]。Zn元素與Mg元素原子半徑相近，化合價相同，因此Zn固溶于鎂基體引起的晶格畸變較小，不會對鎂合金導(dǎo)熱性能造成過多影響，而且適量Zn元素能夠提高鎂合金的室溫力學(xué)性能[2]。Y元素主要可以與Zn相結(jié)合，形成金屬間化合物，彌散分布于晶界或基體中，具有彌散強化作用，可以顯著提高力學(xué)性能，尤其是高溫性能[3]。定向凝固技術(shù)是一種新型凝固工藝，通過控制特定方向的溫度梯度來獲得與熱流方向相反的凝固組織，對單一方向上的導(dǎo)熱性能研究具有很高的研究價值[4]。因此，本文采用定向凝固技術(shù)，研究了一定溫度梯度下，不同拉伸速度對Mg-3Zn-Y合金導(dǎo)熱性能的影響。

1 實驗材料和方法

實驗材料為Mg-3Zn-Y合金，采用純鎂塊(99.9%)、純鋅粒(99.9%)和Mg-30%Y中間合金按照質(zhì)量分數(shù)比Mg∶Zn∶Y接近96∶3∶1配比而成。將稱量好的純鎂放在中頻感應(yīng)加熱爐坩堝內(nèi)加熱，加熱至720℃左右，向坩堝內(nèi)加入鋅和鎂釔中間合金，攪拌均勻，后加入適量的精煉劑(RJ-2)精煉5 min～8 min。加熱過程中不斷向熔體表面通入氬氣，防止鎂與空氣中的氧氣發(fā)生氧化作用。溫度升至760℃，然后保溫8 min～10 min，再降溫至700℃進行除渣。最后680℃左右澆注，澆注試樣呈棒狀。將試樣棒放入定向凝固設(shè)備，進行定向凝固實驗。圖1為定向凝固加熱系統(tǒng)簡圖。

圖1 定向凝固加熱系統(tǒng)簡圖Figure 1 The sketch of directional solidification heating system

實驗制備完成后，定向凝固試樣沿橫、縱向剖開，表面剖光，使用4%的硝酸酒精進行腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下進行組織觀察。并用XRD衍射儀分析合金的相組成，使用TH2512型智能直流低電阻測試儀測試電阻，通過計算得出試樣的熱導(dǎo)率。

2 結(jié)果與討論

2.1 合金的相組成

圖2為鑄態(tài)和不同拉伸速度下Mg-3Zn-Y合金XRD衍射圖譜。由圖2可以看出，Mg-3Zn-Y 合金主要由α-Mg 相與Mg3Zn6Y相組成。隨著拉伸速度的增加，第二相衍射峰逐漸增強，表明第二相數(shù)量上的增多，這是由于溶質(zhì)原子的擴散收到了定向凝固的影響。

2.2 拉伸速度對定向凝固組織的影響

圖3為不同拉伸速度下Mg-3Zn-Y合金顯微組織。鑄態(tài)組織呈現(xiàn)明顯的等軸晶形態(tài)，而定向凝固組織則是典型的柱狀晶形態(tài)。另外，還可以看出隨著拉伸速度的增大，柱狀晶的寬度逐漸變窄，原因主要有兩點[5-6]：第一，拉伸速度增大，非均質(zhì)形核能力增強，形核越多，柱狀晶的寬度越窄；第二，拉伸速度增大，固液界面前方過冷區(qū)域逐漸變窄，柱狀晶的寬度變窄。此外，從圖3明顯看出隨著拉伸速度的增加，第二相數(shù)量增多，這與XRD圖譜切合。

2.3 拉伸速度對Mg-3Zn-Y導(dǎo)熱性能的影響

合金熱傳導(dǎo)的主要載體為自由電子，高導(dǎo)電合金必然具有高導(dǎo)熱的性質(zhì)[7]。試驗測得電阻，通過R=ρl/s計算得到電阻率ρ，電導(dǎo)率σ=1/ρ，并運用魏德曼-弗蘭茲定律數(shù)學(xué)表達式：λ/σT=L0(其中，λ是金屬的熱導(dǎo)率，σ是金屬的電導(dǎo)率，T是絕對溫度，L0是洛倫茲數(shù)，L0=2.45×10-8W·Ω/K2)來計算樣品的熱導(dǎo)率λ，室溫時T=293 K。Mg-3Zn-Y合金拉伸速度與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系見表1。

圖2 Mg-3Zn-Y合金XRD 衍射圖譜Figure 2 XRD diffraction spectrum of Mg-3Zn-Y alloy

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

表1 Mg-3Zn-Y合金拉伸速度與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系Table1 The relation between the stretching velocity and the thermal conductivity of Mg-3Zn-Y alloy

圖4 不同拉伸速度下Mg-3Zn-Y合金的導(dǎo)熱性能Figure 4 The thermal conductivity of Mg-3Zn-Y alloy with different stretching velocities

圖4為不同拉伸速度下Mg-3Zn-Y合金的導(dǎo)熱性能。從圖4可以看出，定向凝固以后合金的熱導(dǎo)率均有上升，而隨著拉伸速度的增加，合金的熱導(dǎo)率先增加后降低。當(dāng)凝固速度為10μm/s時，熱導(dǎo)率有最大值147.73 W/(m·K)，相比于鑄態(tài)合金提高了8.2%。分析認為，合金熱導(dǎo)率的值可以被固溶原子、沉淀相、晶體缺陷等因素影響，這對于電子來說是散射中心，會降低電子的平均自由程，導(dǎo)致熱導(dǎo)率的下降[8-9]。定向凝固技術(shù)減少了橫向晶界，組織方向性好，大大提高了單方向性能。合金第二相的存在就像是一個大的雜質(zhì)團聚地，成為電子的散射中心，直接的后果是降低了電子傳輸電流和熱的能力。隨著拉伸速度的增加，第二相Mg3Zn6Y逐漸增多，導(dǎo)致了熱導(dǎo)率的逐漸下降。

3 結(jié)論

(1)Mg-3Zn-Y合金主要由α-Mg相與Mg3Zn6Y相組成。隨著拉伸速度的增加，第二相衍射峰逐漸增強，第二相數(shù)量增多。

(2)隨著拉伸速度的增加，Mg-3Zn-Y合金柱狀晶的平均寬度逐漸變窄。

(3)定向凝固以后Mg-3Zn-Y合金的熱導(dǎo)率均有上升，隨著拉伸速度的增加，合金的熱導(dǎo)率先增加后降低。當(dāng)凝固速度為10 μm/s時，熱導(dǎo)率有最大值147.73 W/(m·K)，相比于鑄態(tài)合金提高了8.2%。

[1] 應(yīng)韜.純鎂和二元鎂合金的導(dǎo)熱行為研究[D].黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

[2] 袁家偉.高導(dǎo)熱Mg-Zn-Mn合金及其性能研究[D].北京：北京有色金屬研究總院，2013.

[3] 陳捷.Mg-Zn-Y合金組織與力學(xué)性能分析[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2014.

[4] 問亞崗，崔春娟，田露露，等.定向凝固技術(shù)的研究進展與應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報，2016,30(2):116-120.

[5] 郭璐，李秋書，張炎，等.結(jié)晶速度對Mg-1.5Mn-Al合金凝固組織和性能的影響[J].鑄造設(shè)備與工藝，2015(3)：35-37.

[6] 劉海霞，吳強，司乃潮.不同拉伸速度對Al-5%Cu定向凝固組織的影響[J].鑄造，2005,54(1):40-42.

[7] 楊迎新，張樂平，鐘建華.提高6063鋁合金導(dǎo)熱性能的途徑探討[J].金屬功能材料，2004,11(3):23-24.

[8] 王春明，陳云貴，肖素芬.導(dǎo)熱鎂合金的研究與開發(fā)現(xiàn)狀[J].稀有金屬材料與工程，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.

編輯 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

晉城市科技計劃項目(No.201501004-13)；山西省研究生創(chuàng)新項目(2016BY137)

胡延昆(1990—)，男，碩士，主要從事輕質(zhì)高強金屬結(jié)構(gòu)材料研究。

TG146.2+2

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