熱處理對Mg- Sm- Zn- Zr合金組織、散熱性能和力學(xué)性能的影響

張書強(qiáng) 胡玲飛 姜廉瑜 吳廣新 張捷宇

(省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點(diǎn)試驗(yàn)室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)試驗(yàn)室和上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072)

作為21世紀(jì)最具前景的輕質(zhì)材料，鎂合金具有很多優(yōu)點(diǎn)，如比強(qiáng)度高、密度低、導(dǎo)熱性好等，受到了人們的廣泛關(guān)注[1]。研究發(fā)現(xiàn)，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(qiáng)化、時效強(qiáng)化以及細(xì)晶強(qiáng)化等進(jìn)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(xué)性能，發(fā)現(xiàn)合金的鑄態(tài)組織主要由Mg基體和第二相Mg41Sm5組成，經(jīng)過固溶處理及時效處理后，Mg- Sm合金的力學(xué)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(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)合金經(jīng)固溶處理后具有較優(yōu)的顯微結(jié)構(gòu)，經(jīng)過時效處理后，合金的抗拉強(qiáng)度增大，斷后伸長率減小。

研究發(fā)現(xiàn)鎂合金的散熱性能與合金的純度和元素的存在形式有關(guān)[7]。但目前對鎂合金散熱性能的研究并不多，而開發(fā)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(yàn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)合金的顯微組織、散熱性能和力學(xué)性能的影響，以期為該體系合金的熱處理工藝優(yōu)化提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料制備

試驗(yàn)材料為Mg- Sm- Zn- Zr鑄造鎂合金，表1為其ICP成分檢測結(jié)果。

表1 鑄態(tài)Mg- Sm- Zn- Zr合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of as- cast Mg- Sm- Zn- Zr alloy (mass fraction) %

1.2 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

通過前期試驗(yàn)及對相關(guān)體系固溶溫度的文獻(xiàn)調(diào)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(jìn)行試驗(yàn)，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(jìn)行熱處理。試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，使用光學(xué)顯微鏡觀察鎂合金的顯微組織。依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》中螺紋圓形短試樣標(biāo)準(zhǔn)，加工拉伸試樣，并在RWS200電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為1 mm/min。

表2 正交試驗(yàn)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(tài)及熱處理態(tài)的樣品進(jìn)行熱模擬試驗(yàn)，模擬散熱材料實(shí)際工作環(huán)境，用熱電偶采集樣品上的溫度分布，進(jìn)而評估樣品的綜合散熱能力。試驗(yàn)中冷端給定環(huán)境溫度為-30 ℃，熱端給定保溫溫度為200 ℃，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，記錄溫度分布曲線。散熱試驗(yàn)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(yàn)結(jié)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(yàn)方案及各考察指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果，加入鑄態(tài)試驗(yàn)結(jié)果(編號10)作為對比。

圖1為鑄態(tài)Mg- 5.0Sm- 0.6Zn- 0.5Zr合金的金相照片。可見鑄態(tài)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(yàn)所對應(yīng)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(tài)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(tài)析出的第二相細(xì)小。熱處理后，晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了團(tuán)聚狀的相，通過能譜分析發(fā)現(xiàn)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(nèi)部。類似的析出相在含Zr的Mg- Nd體系合金中也有發(fā)現(xiàn)[9- 10]。圖3是經(jīng)過520 ℃×4 h+200 ℃×10 h處理后樣品的面掃描能譜分析圖，結(jié)果表明經(jīng)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(yàn)方案及結(jié)果Table 3 Arrangements and test results of the orthogonal experiment

圖1 鑄態(tài)合金的金相照片F(xiàn)ig.1 Optical microstructure of as- cast alloy

表4為經(jīng)不同熱處理后合金平均晶粒尺寸的正交分析結(jié)果。由極差分析可知試驗(yàn)三因素對晶粒尺寸的影響順序?yàn)閠s>Ta>ta。方差分析主要是通過F檢驗(yàn)和P檢驗(yàn)來考量各因素對指標(biāo)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(jié)合表4的P檢驗(yàn)結(jié)果得出三因素對平均晶粒尺寸的影響順序?yàn)閠s>Ta>ta，與極差分析結(jié)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?yàn)楣倘芴幚頃r，晶界處的第二相逐漸溶解，而時效時晶粒內(nèi)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(kuò)散系數(shù)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(biāo)影響顯著，“*”表示對指標(biāo)有一定影響，“o“表示對指標(biāo)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(xué)性能的影響

通過對比表3中9組正交試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長率，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過固溶、時效處理后，Mg- 5.0Sm- 0.6Zn- 0.5Zr合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度相比鑄態(tài)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(yīng)三因素的極差與方差分析結(jié)果，圖5～7為三因素對合金力學(xué)性能的影響。分析可知，三因素對合金抗拉強(qiáng)度的影響順序?yàn)門a>ts>ta，隨著Ta的升高，抗拉強(qiáng)度先增大后減小，隨著ts的延長，抗拉強(qiáng)度有所提高，隨著ta的延長，抗拉強(qiáng)度先增大后趨于不變；三因素對合金屈服強(qiáng)度的影響順序?yàn)門a>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(qiáng)度均先增大后減小，隨著ta的延長，屈服強(qiáng)度不斷增大；三因素對合金斷后伸長率的影響順序?yàn)門a>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(qiáng)度的正交分析表Table 5 Orthogonal analysis result of the tensile strength

表6 屈服強(qiáng)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(biāo)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(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of three factors on the tensile strength

試驗(yàn)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(jìn)而形成過飽和固溶體，在后續(xù)時效處理過程中，再次析出穩(wěn)定的第二相，起到析出強(qiáng)化的作用，改善合金的組織和性能。有研究表明[12]，基體中穩(wěn)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(qiáng)度。但當(dāng)合金中稀土元素含量達(dá)到一定程度后，容易在晶界處產(chǎn)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(fā)生斷裂，這也是時效處理后合金的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)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(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果和正交分析得出試驗(yàn)合金獲得較好力學(xué)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(qiáng)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(yàn)傳熱過程主要包括爐腔內(nèi)氣體與樣品的對流換熱以及樣品內(nèi)部的熱傳導(dǎo)。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(shù)、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(tài)及換熱表面形狀尺寸等幾何因素，與固體性質(zhì)無關(guān)，故各組試驗(yàn)中保證了對流換熱系數(shù)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(qiáng)。將最靠近熱端的測溫點(diǎn)T近似作為對比項(xiàng)，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(jié)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(jié)合極差與方差分析可知，試驗(yàn)三因素對合金散熱性能的影響順序?yàn)閠a>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(jù)正交分析得出，當(dāng)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(jìn)行散熱試驗(yàn)驗(yàn)證，得到200 ℃穩(wěn)態(tài)條件下合金的Δtm值為63 ℃，高于其他熱處理試樣，說明此優(yōu)化方案是可信的，其散熱性能比鑄態(tài)合金有了明顯的提升。試驗(yàn)測得正交試驗(yàn)樣品及優(yōu)化樣品達(dá)到穩(wěn)態(tài)時的T-X曲線如圖9所示。

合金的導(dǎo)熱性能主要與基體內(nèi)固溶的合金元素量有關(guān)。當(dāng)基體內(nèi)固溶大量合金元素時會發(fā)生晶格畸變，晶格畸變的產(chǎn)生可以使材料強(qiáng)度升高，同時增強(qiáng)電子的散射作用，使得熱導(dǎo)率下降。此外合金的導(dǎo)熱性能與平均晶粒尺寸也有一定關(guān)系，如圖10所示，試驗(yàn)中氣固溫差Δtm值與平均晶粒尺寸d的關(guān)系可擬合為Δtm=0.45d+35.59，當(dāng)平均晶粒尺寸增大時，氣固溫差Δtm增大，即合金的導(dǎo)熱性能增強(qiáng)。分析其原因是：合金主要通過電子和聲子導(dǎo)熱進(jìn)行熱傳導(dǎo)，每個粒子攜帶著能量并通過與其他粒子的碰撞來實(shí)現(xiàn)能量交換，晶界對粒子的運(yùn)動起到阻礙作用，故減小晶界所占分?jǐn)?shù)即增大晶粒尺寸是提升熱導(dǎo)率的有效途徑[11]。因此對于進(jìn)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(tài)合金有更好的散熱性能。本文正交試驗(yàn)的各組試樣都進(jìn)行了固溶處理時效處理，故整體上Δtm值相比鑄態(tài)試樣有所增大，但小部分試樣的Δtm值略小于鑄態(tài)試樣，可推測為其時效處理未能達(dá)到效果。

圖9 200 ℃穩(wěn)態(tài)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(guān)系Fig.10 Relationship between average grain size and Δtm

根據(jù)以上正交試驗(yàn)結(jié)果及分析，綜合考慮各個指標(biāo)影響，得到當(dāng)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(xué)性能。

3 結(jié)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(xué)性能。隨著時效溫度Ta的升高，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長率均先增大再減?。浑S著時效時間ta的延長，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)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(xué)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(fā)現(xiàn)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(jìn)行分析，得出當(dāng)平均晶粒尺寸增大時，合金的散熱能力隨之增強(qiáng)，說明晶界所占分?jǐn)?shù)高時不利于導(dǎo)熱。

(3)結(jié)合散熱性能與力學(xué)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(qiáng)度、屈服強(qiáng)度，但斷后伸長率會略有降低。