热处理对Mg- Sm- Zn- Zr合金组织、散热性能和力学性能的影响

张书强 胡玲飞 姜廉瑜 吴广新 张捷宇

(省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点试验室、上海市钢铁冶金新技术开发应用重点试验室和上海大学材料科学与工程学院，上海 200072)

作为21世纪最具前景的轻质材料，镁合金具有很多优点，如比强度高、密度低、导热性好等，受到了人们的广泛关注[1]。研究发现，在镁合金中加入微量稀土元素可以起到提升材料拉伸性能和铸造性能的作用[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，可通过固溶强化、时效强化以及细晶强化等进一步提升镁合金的性能[4]。朱蓓蓓等[5]研究了Mg- Sm二元合金的组织和力学性能，发现合金的铸态组织主要由Mg基体和第二相Mg41Sm5组成，经过固溶处理及时效处理后，Mg- Sm合金的力学性能要好于Mg- Nd合金。袁明等[6]针对一种新型耐热镁合金，研究了热处理工艺对该体系合金组织和力学性能的影响，发现合金经固溶处理后具有较优的显微结构，经过时效处理后，合金的抗拉强度增大，断后伸长率减小。

研究发现镁合金的散热性能与合金的纯度和元素的存在形式有关[7]。但目前对镁合金散热性能的研究并不多，而开发新型散热合金材料对镁资源的高价值利用及散热材料轻量化都有着重要的意义。本文采用正交试验方法，研究了固溶时间ts、时效温度Ta和时效时间ta对Mg- 5.0Sm- 0.6Zn- 0.5Zr(质量分数，%)合金的显微组织、散热性能和力学性能的影响，以期为该体系合金的热处理工艺优化提供依据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料制备

试验材料为Mg- Sm- Zn- Zr铸造镁合金，表1为其ICP成分检测结果。

表1 铸态Mg- Sm- Zn- Zr合金的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of as- cast Mg- Sm- Zn- Zr alloy (mass fraction) %

1.2 正交试验方案设计

通过前期试验及对相关体系固溶温度的文献调研，选择固溶温度Ts为520 ℃，故L9(34)正交表中主要考虑固溶时间ts、时效温度Ta与时效时间ta三个因素，各因素安排三个水平进行试验，并加入误差列，因素水平表如表2所示。

1.3 性能测试

使用管式电阻炉对合金进行热处理。试样经4%硝酸酒精溶液腐蚀后，使用光学显微镜观察镁合金的显微组织。依据GB/T 228.1—2010《金属材料室温拉伸试验方法》中螺纹圆形短试样标准，加工拉伸试样，并在RWS200电子万能试验机上进行拉伸试验，拉伸速率为1 mm/min。

表2 正交试验的因素水平表Table 2 Experimental factors and levels

利用散热性能测试平台[8]对铸态及热处理态的样品进行热模拟试验，模拟散热材料实际工作环境，用热电偶采集样品上的温度分布，进而评估样品的综合散热能力。试验中冷端给定环境温度为-30 ℃，热端给定保温温度为200 ℃，当达到稳态时，记录温度分布曲线。散热试验样品尺寸为160 mm×10 mm×10 mm，并将两个端面抛光，保证受热均匀。

2 试验结果与分析

2.1 热处理对Mg- Sm- Zn- Zr合金显微组织的影响

表3为正交试验方案及各考察指标试验结果，加入铸态试验结果(编号10)作为对比。

图1为铸态Mg- 5.0Sm- 0.6Zn- 0.5Zr合金的金相照片。可见铸态合金主要由镁基体及共晶第二相Mg41Sm5组成，其中第二相含量较高且比较粗大，主要沿晶界分布。图2分别为9组正交试验所对应的显微组织照片。对比可见，热处理后合金的晶粒尺寸相比铸态组织显著增大，晶界上的离异共晶第二相含量大幅度减少，显示出清晰平整的晶界，且时效处理析出的第二相尺寸明显比铸态析出的第二相细小。热处理后，晶粒内部出现了团聚状的相，通过能谱分析发现Zr元素富集在该相中，在含Zr的稀土镁合金中这种相较常见[9]，部分为ZrH化合物和ZnZr化合物，且主要位于晶体内部。类似的析出相在含Zr的Mg- Nd体系合金中也有发现[9- 10]。图3是经过520 ℃×4 h+200 ℃×10 h处理后样品的面扫描能谱分析图，结果表明经过固溶时效处理后，合金晶界处的第二相含量大幅度减少但仍存在，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面扫描中分布并不明显。

表3 正交试验方案及结果Table 3 Arrangements and test results of the orthogonal experiment

图1 铸态合金的金相照片Fig.1 Optical microstructure of as- cast alloy

表4为经不同热处理后合金平均晶粒尺寸的正交分析结果。由极差分析可知试验三因素对晶粒尺寸的影响顺序为ts>Ta>ta。方差分析主要是通过F检验和P检验来考量各因素对指标影响的显著性。图4为平均晶粒尺寸随三因素的变化情况，结合表4的P检验结果得出三因素对平均晶粒尺寸的影响顺序为ts>Ta>ta，与极差分析结果一致，其中ts影响显著。随着ts的延长和Ta的升高， 合金的晶粒尺寸先减小后增大， 随着ta的延长，晶粒尺寸不断增大。热处理后合金晶粒长大主要是因为固溶处理时，晶界处的第二相逐渐溶解，而时效时晶粒内部逐渐析出第二相，从而大幅度减弱对晶界的钉扎作用，同时热处理温度越高，原子扩散系数也越大，晶界的迁移更加容易，使得晶粒容易长大。

图2 不同工艺热处理后合金的显微组织Fig.2 Microstructures of the alloys heat treated with different procedures

图3 2号合金热处理后的面扫描能谱分析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：“**“表示对指标影响显著，“*”表示对指标有一定影响，“o“表示对指标影响很小

图4 三因素对合金平均晶粒尺寸的影响Fig.4 Effect of three factors on the average grain size of alloys

2.2 热处理对Mg- Sm- Zn- Zr合金力学性能的影响

通过对比表3中9组正交试样的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率，可以发现经过固溶、时效处理后，Mg- 5.0Sm- 0.6Zn- 0.5Zr合金的抗拉强度、屈服强度相比铸态有较大提升，大部分试样的断后伸长率也有所增加。表5～7分别对应三因素的极差与方差分析结果，图5～7为三因素对合金力学性能的影响。分析可知，三因素对合金抗拉强度的影响顺序为Ta>ts>ta，随着Ta的升高，抗拉强度先增大后减小，随着ts的延长，抗拉强度有所提高，随着ta的延长，抗拉强度先增大后趋于不变；三因素对合金屈服强度的影响顺序为Ta>ta>ts，其中Ta的影响最显著，随着ts的延长和Ta的升高，屈服强度均先增大后减小，随着ta的延长，屈服强度不断增大；三因素对合金断后伸长率的影响顺序为Ta>ta>ts，其中Ta影响显著，ts和ta的影响较弱，随着Ta的升高和ta的延长，断后伸长率先增大后减小，随着ts的延长，断后伸长率不断减小。

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

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

注：“***”表示对影响十分显著，“o”表示对指标影响很小

表7 断后伸长率的正交分析表Table 7 Orthogonal analysis result of the elongation

图5 三因素对抗拉强度的影响Fig.5 Effect of three factors on the tensile strength

试验采用T6工艺，即固溶+时效处理，固溶处理主要使稀土元素最大限度溶入α- Mg基体，进而形成过饱和固溶体，在后续时效处理过程中，再次析出稳定的第二相，起到析出强化的作用，改善合金的组织和性能。有研究表明[12]，基体中稳定的第二相起到对位错的钉扎作用， 阻碍位错的攀移和滑移，从而提升合金的强度。但当合金中稀土元素含量达到一定程度后，容易在晶界处产生偏析，形成Mg- RE或Mg- Zn- RE化合物[13]，由于这些化合物是脆性的，所以此时合金容易发生断裂，这也是时效处理后合金的抗拉强度与屈服强度得到提升，而随着ta的延长断后伸长率下降的主要原因。综合力学性能的试验结果和正交分析得出试验合金获得较好力学性能的最佳热处理工艺为520 ℃×8 h+200 ℃×10 h。

图6 三因素对屈服强度的影响Fig.6 Effect of three factors on the yield strength

图7 三因素对断后伸长率的影响Fig.7 Effect of factors on the elongation

2.3 热处理对Mg- Sm- Zn- Zr合金散热性能的影响

通过散热平台的热模拟试验传热过程主要包括炉腔内气体与样品的对流换热以及样品内部的热传导。利用牛顿冷却公式Q=hAΔtm来表示对流换热过程的换热量，其中Q、h、A、Δtm分别表示换热量、对流换热系数、换热面积以及对流气体和固体之间的平均温度差。其中h主要取决于流体流动的状态及换热表面形状尺寸等几何因素，与固体性质无关，故各组试验中保证了对流换热系数和接触面积一致，因此热对流气体与对流界面上固体温度差Δtm越大，则说明单位散热面积的换热量越多，即样品的散热能力更强。将最靠近热端的测温点T近似作为对比项，Δtm为热端炉温Th与T的差值。

气固温差Δtm的极差和方差分析结果如表8所示。为便于直观分析，将Δtm随各因素的变化情况用图8表示，结合极差与方差分析可知，试验三因素对合金散热性能的影响顺序为ta>Ta>ts，其中ta的影响比较显著，ts与Ta的影响相对较弱。随着ta的延长和ts的缩短，材料的散热性能逐渐上升。

表8 气固温差Δtm的正交分析表Table 8 Orthogonal analysis result of the temperature difference Δtm

图8 三因素对合金Δtm的影响Fig.8 Effect of three factors on the temperature difference Δtm

根据正交分析得出，当选择热处理方案为520 ℃×4 h+180 ℃×40 h时，该体系合金的散热性能最好。对此方案进行散热试验验证，得到200 ℃稳态条件下合金的Δtm值为63 ℃，高于其他热处理试样，说明此优化方案是可信的，其散热性能比铸态合金有了明显的提升。试验测得正交试验样品及优化样品达到稳态时的T-X曲线如图9所示。

合金的导热性能主要与基体内固溶的合金元素量有关。当基体内固溶大量合金元素时会发生晶格畸变，晶格畸变的产生可以使材料强度升高，同时增强电子的散射作用，使得热导率下降。此外合金的导热性能与平均晶粒尺寸也有一定关系，如图10所示，试验中气固温差Δtm值与平均晶粒尺寸d的关系可拟合为Δtm=0.45d+35.59，当平均晶粒尺寸增大时，气固温差Δtm增大，即合金的导热性能增强。分析其原因是：合金主要通过电子和声子导热进行热传导，每个粒子携带着能量并通过与其他粒子的碰撞来实现能量交换，晶界对粒子的运动起到阻碍作用，故减小晶界所占分数即增大晶粒尺寸是提升热导率的有效途径[11]。因此对于进行时效处理的合金，基体中合金元素量随着第二相的析出而减少，并且热处理后的晶粒尺寸有所增大，故相比铸态合金有更好的散热性能。本文正交试验的各组试样都进行了固溶处理时效处理，故整体上Δtm值相比铸态试样有所增大，但小部分试样的Δtm值略小于铸态试样，可推测为其时效处理未能达到效果。

图9 200 ℃稳态时9组样品的T- X曲线Fig.9 Temperature and position curves of nine samples at steady state of 200 ℃

图10 平均晶粒尺寸与Δtm之间的关系Fig.10 Relationship between average grain size and Δtm

根据以上正交试验结果及分析，综合考虑各个指标影响，得到当热处理制度为520 ℃×4 h+200 ℃×40 h时，合金可获得较好的综合性能，即散热性能良好同时兼顾了力学性能。

3 结论

(1)固溶及时效处理能够明显提升Mg- 5.0Sm- 0.6Zn- 0.5Zr合金的力学性能。随着时效温度Ta的升高，抗拉强度、屈服强度和断后伸长率均先增大再减小；随着时效时间ta的延长，抗拉强度和屈服强度不断增大，断后伸长率先增大后大幅度减小。合金获得较好力学性能的热处理工艺为520 ℃×8 h+200 ℃×10 h。

(2)通过极差与方差分析，发现时效工艺对Mg- 5.0Sm- 0.6Zn- 0.5Zr合金的散热性能影响显著。随着时效温度Ta的升高，合金的散热性能先下降后上升，随着时效时间ta的延长，合金的散热性能明显提升。合金获得较好散热性能的热处理工艺为520 ℃×4 h+180 ℃×40 h。对合金的平均晶粒尺寸进行分析，得出当平均晶粒尺寸增大时，合金的散热能力随之增强，说明晶界所占分数高时不利于导热。

(3)结合散热性能与力学性能的正交分析，得出热处理制度为520 ℃×4 h+200 ℃×40 h时合金可获得较好的综合性能，此时具有较好的散热性能和较高的抗拉强度、屈服强度，但断后伸长率会略有降低。