挤压镁合金 成分：97.37%镁、9.37%锌、1.88%钇 该合金兼具优异的导热性能和机械强度

《Journal of Magnesium and Alloys》：Extruded Mg 97.37Zn 1.88Y 0.75 alloy with both high thermal conductivity and mechanical strength

热处理Mg97.37Zn1.88Y0.75合金经挤压后实现热导率130Wm?1K?1与抗拉强度361MPa的协同优化，动态再结晶细化α-Mg基体并形成高分散相，同时保持低缺陷密度。

　　镁合金因其轻质特性，在交通运输领域的应用备受关注。在现代工业中，随着航空航天系统、高速列车、自动驾驶系统等技术的迅速发展，高功率电磁组件的数量和布局密度不断增加，导致设备运行过程中产生大量热量。如果这些热量不能及时散发，设备温度会升高，进而影响其稳定性和安全性。因此，提高镁合金的导热性能和机械性能，使其能够胜任高温设备和电子元件的结构需求，成为当前研究的重点。然而，与铝合金相比，商用镁合金的导热性能和机械强度相对较低，限制了其应用范围。

在本研究中，我们聚焦于一种具有极高导热性能的镁合金——Mg_97.37Zn_1.88Y_0.75（原子百分比），这种合金由α-Mg基体、W相（Mg₃Zn₃Y₂）以及少量的I相（Mg₃Zn₆Y）组成。在之前的实验中，我们发现该合金通过在633 K下进行15小时的热处理，能够形成大量细小的W相，从而显著提升其导热性能，达到141 Wm^-1K^-1。然而，这种合金的机械性能相对较低，因此我们进一步研究了其在不同挤出条件下的性能变化，以期在保持高导热性能的同时，提高其强度和延展性。

通过优化挤出条件，我们成功开发出一种具有优异性能的镁合金。该合金在挤出后表现出131 Wm^-1K^-1的导热性能，361 MPa的抗拉强度以及9.7%的延伸率。这种优异的机械性能主要得益于挤出过程中动态再结晶的诱导，使得α-Mg基体细化，同时再结晶区域的晶粒具有较低的应变和随机取向，从而提高了材料的整体强度和延展性。此外，无论挤出条件如何变化，挤出处理都会导致导热性能下降约9–11 Wm^-1K^-1，但这并未影响其仍保持较高的导热能力。

为了系统研究挤出条件对合金性能的影响，我们对Mg_97.37Zn_1.88Y_0.75合金进行了详细的实验分析。实验过程中，我们使用了高频率感应熔解炉来制备合金样品，并在碳坩埚中保持熔融状态，随后进行搅拌和冷却。热处理后的合金被加工成圆柱形棒材，再通过不同参数的挤出工艺进行加工，包括挤出比（5–20）、挤压速度（0.5–5.5 mm/s）以及挤出温度（523–673 K）。为了评估合金的导热性能，我们使用了激光闪光分析技术，在298 K下测量了挤出样品的导热性能，并在挤出方向（ED）和横向方向（TD）上进行了比较。实验结果显示，无论挤出条件如何，导热性能均呈现出一定的下降趋势，但仍然保持在130 Wm^-1K^-1以上。

在机械性能方面，我们通过Instron 5584测试机对挤出后的样品进行了拉伸测试，评估其抗拉强度和延伸率。测试结果显示，随着挤出比的增加，抗拉强度首先上升并在挤出比为10时达到最大值，随后逐渐下降。而延伸率则随着挤出比的增加而持续上升。当挤出比超过10时，合金同时表现出较高的抗拉强度（>350 MPa）和足够的延展性（>5%）。这表明，通过适当调整挤出条件，可以实现抗拉强度与延展性的良好平衡。此外，挤出速度对机械性能的影响也较为显著，随着速度的增加，抗拉强度下降，而延伸率上升。在挤出速度为1.0–2.5 mm/s时，合金能够同时保持较高的抗拉强度（>300 MPa）和较高的延展性（>9%）。挤出温度对机械性能的影响则相对较小，当温度低于623 K时，合金能够同时获得较高的抗拉强度和延展性。

为了进一步分析挤出条件对合金微观结构的影响，我们使用XRD（X射线衍射）和SEM（扫描电子显微镜）等技术对挤出后的合金进行了详细研究。XRD分析显示，无论挤出条件如何变化，合金的相组成基本保持不变，主要包含α-Mg、W相以及少量的I相。SEM图像则显示，随着挤出比的增加，化合物带的分布更加均匀，但化合物颗粒的尺寸基本不变。此外，挤出速度和温度对化合物带的分布和颗粒尺寸影响较小，因此这些参数对机械性能的影响相对有限。

通过IPF（逆极图）映射，我们观察到动态再结晶区域的晶粒尺寸在挤出比从5增加到20时基本保持不变，但再结晶区域的面积显著增加。随着挤出速度的提高，动态再结晶区域的晶粒尺寸和面积均有所增加，而随着挤出温度的升高，晶粒尺寸略有增加，但面积保持相对稳定。KAM（晶界平均错位）分析进一步表明，挤出处理引入了更多的缺陷，如晶界、孪晶界、位错等，这些缺陷会增加自由电子和声子的散射概率，从而降低导热性能。然而，由于这些缺陷对导热性能的影响远小于溶质原子，因此合金仍然能够保持较高的导热性能。

此外，我们还对不同挤出条件下合金的导热性能与机械性能之间的关系进行了分析。结果显示，导热性能与抗拉强度之间存在一定的权衡关系，即提高抗拉强度可能会略微降低导热性能。然而，这种影响并不显著，合金在保持高导热性能的同时，仍能实现较高的机械性能。这表明，通过优化挤出条件，可以实现导热性能与机械性能的平衡。

在比较不同镁合金的性能时，我们发现，本研究中开发的Mg_97.37Zn_1.88Y_0.75合金在导热性能和机械性能方面均优于大多数已知的高性能镁合金。尽管其抗拉强度略低于某些Mg–Al–Ca合金，但其导热性能更高，延展性也有所改善，显示出更优的性能平衡。这表明，通过优化合金成分、热处理条件和挤出条件，可以在镁合金中同时实现高导热性能、高机械强度和良好的延展性。

综上所述，本研究的成果表明，通过优化挤出条件，可以有效提升镁合金的机械性能，同时保持其高导热性能。这一发现为开发高性能镁合金提供了新的思路和方法，也为未来在高温设备和电子元件中的应用奠定了基础。