开发具有超高导热性能和优异机械性能的低合金无稀土镁合金

《Materials Science and Engineering: A》：Development of low-alloyed rare-earth-free magnesium alloys with ultra-high thermal conductivity and excellent mechanical properties

本研究通过热机械加工制备了新型低成本无稀土Mg-2Sn-0.68Ca合金板材，优化热导率与塑性平衡，均质处理后热导率达151.4 W/(m·K)，退火后恢复至150.9 W/(m·K)并显著提升延伸率至24.5%，其综合性能优于传统稀土镁合金，为电子散热和轻量化热结构提供新方案。

　　

段守刚|周雄|陈林波|杜军

华南理工大学材料科学与工程学院，广州，510640，中国

摘要

开发具有高导热性（TC）和优异机械性能的无稀土（RE）镁合金仍然是一个重大挑战。本文通过热机械加工成功制备了一种新型的低成本无稀土Mg-2Sn-0.68Ca（重量百分比，TX20）合金板材，在导热性和塑性之间取得了令人满意的平衡。均质化处理使共晶CaMgSn相发生球化（由瑞利不稳定性驱动），将TC提高到151.4 W/(m·K)。然而，轧制引起的晶格畸变（全宽半高值增加了15%）使TC降至146.8 W/(m·K)。在400°C下退火10分钟后，静态再结晶形成了细小晶粒（约6.1 μm）和非基面织构（极图强度：3.96），使导热性恢复到150.9 W/(m·K)，同时显著提高了延伸率至24.5%（比轧制态提高了115%）。微量添加的Ca通过调节织构演变和晶粒细化协同优化了性能。这种低合金无稀土TX20合金板材的综合性能超过了传统的含稀土镁合金，为电子散热和轻质热结构提供了一种新的材料解决方案。

引言

近年来，具有超高导热性（TC）和高机械性能的镁（Mg）合金已成为材料科学领域的重要研究方向，其目标是结合轻质特性与优异的机械和导热性能[1]。这些合金不仅需要满足结构材料的强度要求，还需要能够及时散热，以提高工件的使用寿命和稳定性，特别是在电子器件散热器和航空航天结构部件等应用中[2,3]。然而，传统镁合金相对较低的TC限制了它们在高热负荷环境中的应用。最近，通过合金化、热处理和微观结构优化，探索了新的合金成分和制备工艺，以同时提升综合机械性能和TC。不幸的是，镁合金的热导率/电导率与机械性能之间存在明显的“权衡”关系，这限制了它们在需要高效散热和可成形性的场景中的应用（例如，轻质散热器、电子外壳和节能车辆部件）[[4], [5], [6]]。虽然高导热性要求最小的晶格畸变和无缺陷的微观结构，但实现高延展性通常依赖于晶粒细化、合金化或织构控制——这些策略不可避免地会引入界面散射中心并降低热传输[[7], [8], [9]]。

众所周知，几乎所有的强化机制都会导致TC降低，例如晶粒细化强化、固溶强化和位错强化，这主要是因为电子被固溶原子、晶界和位错等晶格缺陷散射[10]。此外，由织构强化引起的各向异性对镁合金构成了重大挑战[[11], [12], [13]]。在镁合金中同时优化TC和机械性能是一个持续的技术挑战，这归因于声子介导的热传递机制与位错强化过程之间的内在冲突。例如，Mg-0.5Mn-0.3Ce合金的极限抗拉强度（UTS）为320.9 MPa，TC为126.9 W/(m·K)，但其延伸率仅限于9.6%[14]。低合金Mg-1Ce-0.5Zn-0.5Zr合金的TC高于130 W/(m·K)，UTS超过300 MPa，但其延伸率仅为8.4%[15]。刘等人[16]在Mg-4Al中添加了La，使Al以金属间化合物的形式沉淀，并通过热挤压细化了合金微观结构。这一过程使抗拉强度达到337 MPa，延伸率为8.4%，TC为130 W/(m·K)。

目前关于高TC镁合金强化的研究主要集中在热物理性能上，对这些材料的塑性关注有限——鉴于它们固有的较差的延展性，这是一个关键的疏忽。在高导热性镁合金的应用过程中，主要评估的是它们的热传递能力，而不是机械强度，特别是在不作为主要承重部件使用时。然而，随着对与多种设备架构兼容性的需求增加，必须使用塑性成形技术，这对合金的塑性和可成形性提出了严格要求[17]。因此，具有高延展性的镁合金板材越来越受到重视，这些板材与成本效益高的加工方法相匹配。值得注意的是，现有的高强度、高导热性镁合金的延伸率通常限制在15%以下，这突显了提高其延展性的紧迫性。解决这一限制对于扩展它们的功能多样性和工业应用性至关重要。

从镁合金的塑性机制角度来看，促进非基面滑移激活、晶粒细化和织构弱化对于提高塑性变形能力至关重要[[18], [19], [20]]。一个根本性的挑战在于基面滑移系统和非基面滑移系统之间的启动难度存在显著差异，需要精确调节它们的临界解理剪切应力（CRSS）比率[[21], [22], [23]]。最近在合金设计和加工技术方面的进展为调和这些相互冲突的性能开辟了途径。例如，参考文献[24,25]表明，低合金系统（如Mg-Sn-Ca）有效减少了基面滑移模式和非基面滑移模式之间的CRSS差异，同时减弱了织构强度。此外，Mg₂Ca沉淀物的形成抑制了动态再结晶晶粒的生长，有助于晶粒细化。在我们之前对Mg-2Sn-Ca合金系统的研究中[26]，添加Ca显著提高了导热性，最佳性能（148.2 W/(m·K)是在Ca与Sn的质量比为1:1（Mg-2Sn-0.68Ca，重量百分比）时实现的。基于这些见解，本研究旨在通过集成的机械-热处理制备Mg-2Sn-0.68Ca合金板材，目标是协同优化导热性和延展性。此外，我们系统地研究了微观结构演变（如织构修改、沉淀物分布和动态再结晶动力学）及其与热机械性能的相关性，以建立工艺-结构-性能框架。

实验部分

实验

所研究的Mg-2Sn-0.68Ca（重量百分比，TX20）合金使用了商业纯Mg、纯Sn和Mg-10Ca（重量百分比）母合金合成。熔化和铸造在680°C下进行，使用预热的矩形钢模（150 mm × 100 mm × 20 mm），详细的熔化过程可以在参考文献[27]中找到。起始的铸态样品在500°C下均质化12小时，然后空气冷却以获得均质样品。均质化的Mg-2Sn-0.68Ca样品经过多道次轧制

微观结构

图1显示了TX20合金在不同处理状态下的微观结构演变。铸态TX20合金具有典型的铸态微观结构，包括主要的α-Mg晶粒和位于枝晶间的连续网络状共晶结构（图1a）。结合XRD和EDS分析，可以确定共晶结构由共晶α-Mg和三元CaMgSn相组成。均质化处理后，原始的纤维状CaMgSn

讨论

在凝固过程中，纤维状CaMgSn相通常偏离理想的圆柱形形态和均匀的横截面。局部直径的变化不可避免地会产生具有不同曲率半径的表面凹坑或突起（图1b）。这种形态不稳定性通过瑞利不稳定性机制驱动自发的直径减小或破碎[36]。在随后的均质化处理过程中，原子扩散加速——特别是沿

结论

总之，通过定制的热机械加工策略，成功开发了一种新型的低合金无稀土Mg-2Sn-0.68Ca（TX20）合金，在超高导热性和延展性之间取得了卓越的平衡。主要发现如下。

(1)

均质化热处理后，TX20合金中的纤维状共晶MgSnCa相发生球化（由瑞利不稳定性驱动），形成了连续的电子传输通道，使TC提高到151.4 W/(m·K)

作者贡献声明

段守刚：撰写——原始草稿、方法论、研究、形式分析、概念化。周雄：撰写——审阅与编辑、可视化、研究。陈林波：验证、研究。杜军：监督、项目管理。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了广州西玛特材料研究院（SIMR）有限公司的支持，感谢其在TEM表征方面的帮助。我们还要感谢硕士生周宇明的数据分析工作，特别是关于导热性的分析。