哈尔滨工业大学耿林教授课题组——高导热高强度Mg-Al-La-Mn合金的组织与性能研究 | MDPI Materials

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作者简介

通讯作者：徐超 教授

   哈尔滨工业大学

哈尔滨工业大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，哈工大镁合金技术研究所副所长、分析测试中心结构室主任。徐超教授长期从事高性能镁合金及其复合材料的设计、制备、加工技术与应用的基础研究，在该领域主持中国国家重点研发计划——青年科学家项目、国家自然科学面上基金和青年基金、国家重点研发计划子课题、日本文部科学省、黑龙江省优秀青年基金等14项项目，成功开发出多种型号的高强、耐热镁合金零部件，入选黑龙江省科协优秀青年科技人才库。徐超教授已发表 SCI 学术论文90余篇，被引用超2900次，H因子35 (Web of Science)，其中一篇入选 ESI 高被引论文，一篇文章成为热点文章，出版专著2部，并被授权国家发明专利10项，其出版教材获全国优秀教材一等奖（排名第4）。此外，他还担任了重型技术装备国家工程研究中心外部专家、中国材料研究学会镁合金分会理事、全国材料与器件科学家智库轻合金材料专家委员会副主任委员，以及 Materials 等 SCI 期刊编委，Journal of Magnesium and Alloys 青年编委等学术兼职。

第一作者：刘华锋 博士研究生

  哈尔滨工业大学

哈尔滨工业大学材料科学与工程学院博士研究生，主要从事高导热高强度镁合金的研究。

引言

镁及其合金具有轻质、比强度高、铸造性能好、导热性高等优点，在 3C 产品、航空航天、汽车工业等领域中具有广泛的应用前景。随着高功率电磁器件的高度集成化发展，对材料性能的要求越来越高，包括高强度、低密度和良好的散热性能等。具有高导热、高强度的镁合金能够实现热量的快速传递，从而将提高电子设备的可靠性和使用寿命。

纯镁的热导率可高达 156 W/(m·K)，但因其力学性能较差而限制了其实际应用。合金化是提高镁合金机械性能的有效方法，其中 Al 元素是最常用的合金化元素之一，能够有效提高合金的强度、硬度和铸造性能等。然而，Al 的加入会引起 Mg 基体的晶格畸变而使合金的热导率大大降低。向 Mg-Al 合金中加入价格相对低廉的轻稀土元素 (La、Ce 等) 能够有效提高其热导率和强度。

哈尔滨工业大学徐超教授课题组研究了 La 含量对 Mg-Al-La-Mn 合金微观组织、机械性能及导热性能的影响，为高导热、高强度镁合金的研究和开发提供了参考，并将相关成果以 "Effects of La Addition on the Microstructure, Thermal Conductivity and Mechanical Properties of Mg-3Al-0.3Mn Alloys" 为题发表于 Materials 期刊。

研究过程与结果

在本研究中，作者利用永久模具水冷铸造法制备了不同 La 含量的 Mg-3Al-xLa-0.3Mn (x=1，3，5 wt.%) 合金，并对铸态合金的微观组织进行了表征。研究表明，合金的微观组织主要由 α-Mg 基体和沿枝晶分布的第二相 Al₁₁La₃ 相组成，且随着 La 含量的增加第二相的面积分数逐渐增加 (图1、图2、表1)。

图1. 铸态 Mg-3Al-xLa-0.3Mn 合金的 SEM-SE 显微组织：(a) x=1; (b)  x=3；(c) x=5。(d，e) 铸态 Mg-3Al-3La-0.3Mn 合金的 EDS 分析。

图2. 铸态 Mg-3Al-xLa-0.3Mn 合金的 X 射线衍射图。

表1.  图 1 (d, e) 中标记的相的化学成分。

作者对铸态合金进行挤压变形处理，Al₁₁La₃ 相破碎成细小的颗粒，并沿着挤压方向呈流线形密集分布 (图3)。在挤压的过程中，第二相通过粒子刺激形核 (PSN) 机制促进合金中动态再结晶 (DRX) 的进行。随着 La 含量的增加，动态再结晶晶粒的比例逐渐增加。挤压态合金呈现出典型的双模结构，由粗大的形变晶粒和细小的再结晶晶粒组成，形变晶粒表现出明显的基面取向特征，而再结晶晶粒表现出相对随机的取向 (图4、图5)。

图3. 挤压态 Mg-3Al-xLa-0.3Mn 合金的 SEM-SE 显微组织：(a) x=1；(b)  x=3；(c) x=5。

图4. 挤压态 Mg-3Al-xLa-0.3Mn 合金的 IPF 图：(a–c) x=1；(e–g) x=3；(i–k) x=5。样品 DRXed 区域的晶粒度分布直方图：(d) x=1；(h) x=3；(l) x=5。

图5. 挤压态 Mg-3Al-xLa-0.3Mn 合金的 (0001) 极图和基面滑移的 Schmid 因子分布：(a) x=1；(b) x=3；(c) x=5。

作者对铸态和挤压态合金的导热性能和力学性能进行了研究和分析，结果表明，随着 La 含量的增加，铸态合金的热扩散系数和热导率均逐渐增加 (图6)，这主要是由于添加的 La 原子与 Mg 基体中的 Al 发生反应，形成 Al₁₁La₃ 相而降低了基体中溶质原子的浓度，进而减弱 Mg 基体的晶格畸变，抑制电子/声子运动过程中的散射，从而提高了合金的热导率。

图6. Mg-3Al-xLa-0.3Mn (a) 合金的热扩散系数；(b)热导率。

挤压态合金的热导率低于相对应的铸态合金，是因为挤压使得合金中晶界、位错等缺陷增加，不利于合金的热导率。此外，挤压态合金的热导率表现出各向异性，即平行于挤压方向的热导率低于垂直于挤压方向的热导率，这主要是织构的影响。

如图 7 所示，随着 La 含量的增加，铸态合金的屈服强度逐渐增加，而延伸率逐渐降低，这主要归因于第二相含量的增加。对于挤压态合金，其屈服强度和抗拉强度随着 La 含量的增加而逐渐降低，延伸率先增加后降低，这主要是织构强化和第二相强化共同作用的结果。

图7. Mg-3Al-xLa-0.3Mn 合金的拉伸曲线：(a) 铸态和 (b) 挤压态。

研究总结

本文研究了铸态和挤压态 Mg-3Al-xLa-0.3Mn (x=1、3和5 wt.%) 合金的显微组织、导热性能和力学性能。随着 La 含量的增加，铸态和挤压态合金的热导率均逐渐增加，挤压态合金的强度逐渐降低，延伸率先增加后降低。挤压态 Mg-3Al-5La-0.3Mn 合金具有较为优异的综合性能，其热导率为 117.4W/(m·K)，抗拉强度为 332.2MPa，延伸率为 10.8%。本文为高导热高强度镁合金的研究和开发提供了理论依据和实验参考。

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原文出自 Matertials 期刊

Liu, H.; Zuo, J.;  Nakata, T.; Xu, C.; Wang, G.; Shi, H.; Tang, G.; Wang, X.; Kamado, S.; Geng, L. Effects of La Addition on the Microstructure, Thermal Conductivity and Mechanical Properties of Mg-3Al-0.3Mn Alloys     

Materials 2022, 15(3), 1078.

Materials期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

期刊主要关注材料科学与工程研究相关领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等。

2021 Impact Factor	3.748
2021 CiteScore	4.7
Time to First Decision	16.5 Days
Time to Publication	38 Days

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