热力学计算辅助Mg-Ce/La-Zn散热合金的成分设计

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金属间化合物通常以第二相强化方式提升镁合金的力学性能,却导致合金的散热性能降低。这一矛盾的根本机制—金属间化合物种类及含量对合金热导率的影响机理尚未清楚,限制了高性能散热镁合金的开发。Mg-Ce/La-Zn作为极具潜力的散热合金,该体系富镁角的金属间化合物对镁合金热导率有重要影响。Mg-Ce/La-Zn体系富镁区域的物相种类及物相之间的相平衡关系虽有报道,但对于τ1-(Ce/La)0.077(Mg,Zn)0.923是否区别于REMg12相这一问题仍存在争议。厘清金属间化合物种类及含量与热导率之间的关系对开发兼具散热性能和力学性能的新型镁合金具有重要意义。本论文采用平衡合金法重新评估Mg-Ce-Zn三元系相平衡关系,结合CALPHAD方法优化Mg-Ce-Zn体系热力学数据库;利用激光闪射法测定合金热扩散系数,结合比热容及密度确定合金热导率;通过计算凝固路径预测合金物相组成及固溶度,从而设计散热合金,并辅助分析物相及固溶度对合金热导率产生的影响。主要研究结论如下:(1)Mg-Ce-Zn体系中存在CeMg12及三元相τ1-(Ce)0.077(Mg,Zn)0.923,XRD结构解析确定其结构为空间群Cmc21,晶胞参数a=0.9852(2)–1.0137(2)nm、b=1.1361(3)–1.1635(3)nm、c=0.9651(2)–0.9989(2)nm。Mg-Ce/La-Zn体系中富镁角的REMg12及τ1相都与α-Mg之间存在平衡关系。(2)对比金属间化合物对热导率的影响,含τ1相的Mg-Ce/La-Zn双相镁合金热导率都低于相同温度下含REMg12的双相镁合金。在相同金属间化合物种类时,随着金属间化合物的增加,热导率下降。而添加La的合金热导率优于添加Ce的合金。Mg-2.4 mol%La Mg12合金展现最高的热导率,为154.2 W/m·K(323K)和157.6 W/m·K(523 K);而相近含量的Mg-2.2 mol%CeMg12合金热导率为129.4 W/m·K(323 K)和138.4 W/m·K(523 K)。而当物相种类及含量都相同时,Zn元素在α-Mg中固溶造成晶格畸变,合金热导率大幅下降,Zn元素的固溶度增加0.4 at.%,镁合金热导率则大约损失4%。含τ1-(La)0.077(Mg,Zn)0.923相的Mg-La-Zn合金,Zn含量为1.54 at.%时,热导率最高为123.0 W/m·K(323 K)和136.7W/m·K(523 K)。(3)考虑合金的拉伸力学性能,根据金属间化合物及固溶度对Mg-Ce/La-Zn合金热导率的影响规律,优化Mg-Ce/La-Zn合金的成分范围。体系中,Mg-(0.17~0.57 at.%)La-(1.53~2.38 at.%)Zn和Mg-(0.14~0.52 at.%)Ce-(1.60~2.02at.%)Zn的Mg-Ce/La-Zn合金热导率大于120 W/m·K,屈服强度大于85 MPa,延伸率大于5%,兼具较好的散热性能和力学性能。
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