《Review of Materials Research》：Effect of hot deformation parameters on high thermal conductivity Mg-3Zn-0.2Cu-0.2Ca-0.4Zr alloy
编辑推荐：
随着3C产品对散热元件要求的日益严苛，开发高导热镁合金成为研究热点。本研究系统探讨了热变形参数对高性能Mg-3Zn-0.2Cu-0.2Ca-0.4Zr合金动态再结晶行为、塑性变形机制及导热性能的影响。结果表明，通过调控变形温度与应变速率，可实现从连续动态再结晶和孪生诱导动态再结晶向连续与不连续动态再结晶协同机制的转变，并促使塑性变形机制由基面滑移与孪生转变为多滑移系协调激活。在250°C变形温度下，合金获得最佳导热性，归因于溶质原子充分析出及适中的第二相密度。该研究为高性能高导热变形镁合金的热加工设计提供了重要理论依据。
在集成电路飞速发展的今天，电子元器件的密度持续攀升，这对3C（控制、通信、计算机）产品的热管理部件提出了极为严苛的要求。与此同时，在当代发展轻量化需求的驱动下，镁合金因其优异的导热性、低密度以及原材料来源广泛等优势，已成为新型散热材料研发领域的宠儿。然而，目前广泛应用的镁合金大多通过高压压铸生产，其绝对强度偏低已成为制约高强高导镁合金发展与应用的瓶颈问题。变形镁合金凭借其优异的细晶组织和析出相，成为突破当前困境的关键。但热变形过程对合金导热性的影响错综复杂，它既可通过诱导第二相析出降低固溶原子浓度来提升导热性，又可能因动态再结晶导致的晶界密度增加、变形引入的位错密度上升以及第二相增多加剧载流子散射效应而降低导热性。因此，热变形参数通过调控微观结构，最终决定了合金导热性能的优劣。尽管前人研究已揭示单个热加工参数的重要性，但在多参数耦合下，动态再结晶行为、塑性变形机制与导热性之间的内在关联尚缺乏系统表征。为此，研究人员在成功设计出具有优异综合性能的ZXKC3000合金（Mg-3Zn-0.2Cu-0.2Ca-0.4Zr）基础上，系统研究了热变形参数对其微观结构演变与导热性能的影响规律及相关机制，相关成果发表在《Review of Materials Research》上。
本研究主要采用了重力铸造制备合金，利用Gleeble 1500D热模拟试验机进行热压缩实验以模拟热变形过程，通过光学显微镜、扫描电子显微镜、电子背散射衍射和透射电子显微镜等分析手段对变形后样品的微观结构（包括晶粒尺寸、第二相、位错组态等）进行详细表征，并采用激光导热仪测量样品的室温导热系数，同时运用JMatPro软件计算了合金的相图以分析溶质原子浓度和第二相体积分数随温度的变化。
3. 结果
3.1. 微观组织演变
热变形参数对ZXKC3000合金的微观组织产生了显著影响。在200 °C变形时，观察到大量透镜状晶粒（孪晶）以及分布在变形母晶界处的动态再结晶晶粒，形成了典型的项链状结构。随着变形温度从200 °C升高至350 °C，动态再结晶晶粒尺寸从超细晶逐渐粗化至3.14-10.99 μm，动态再结晶分数也随之增加。降低应变速率同样促进了晶粒长大并提高了动态再结晶分数，这与样品在高温下保持时间延长，晶粒生长和位错向晶界迁移进行得更充分一致。第二相分析表明，合金中主要存在Mg(Zn,Cu)2和Ca2Mg6Zn3相，其体积分数随变形温度降低（从350 °C到200 °C）而增加。
4. 讨论
4.1. DRX行为
动态再结晶机制随热变形参数发生转变。在200 °C、0.01 s-1的样品中，动态再结晶晶粒完全包围变形的母晶粒，形成典型的项链状结构，对应于连续动态再结晶机制。同时，在未再结晶晶粒内部观察到由孪生诱导动态再结晶形成的细长动态再结晶晶带。随着变形温度升高至250 °C和300 °C，动态再结晶分数增加，项链状结构更为明显。当温度达到350 °C时，样品接近完全再结晶，项链状结构难以观察，同时晶界凸起现象逐渐增多，表明不连续动态再结晶机制被激活。高温下动态析出相减少削弱了对位错的钉扎效应，位错迁移能力增强，易于在晶界处积累导致晶界凸出并形成新晶核。应变速率降低并未改变动态再结晶机制，在350 °C下所有应变速率样品均表现为连续动态再结晶和不连续动态再结晶共同主导。此外，在所有样品中均观察到颗粒激发形核机制，硬质颗粒周围因应变不兼容性成为动态再结晶的有效形核位置，形成硬质颗粒、动态再结晶晶粒和未再结晶晶粒的三层结构。
4.2. 塑性变形机制
利用晶内误取向轴分析方法分析了不同参数下样品的塑性变形机制。在350 °C、0.001 s-1的样品中，变形晶粒主要表现出强的基面织构，对应高的基面滑移活动性。同时，部分晶粒显示出棱柱面滑移或锥面滑移的高活动性，表明在高温下非基面滑移的临界分切应力迅速降低，多种滑移系共同主导变形机制。降低应变速率并未引起塑性变形机制的根本转变。然而，降低变形温度则引发了变形机制的剧烈变化。当温度从350 °C降至300 °C和250 °C时，非基面滑移，特别是滑移的活动性被显著抑制。当温度进一步降至200 °C时，样品的基面织构强度持续增加，且观察到显著的孪生行为，表明塑性变形机制转变为由基面滑移和拉伸孪生共同主导，这是由于低温下非基面滑移被抑制，需要孪生来协调变形。
4.3. 导热性
合金的导热性受多种因素竞争影响。关于变形温度，在所有应变速率下，250 °C处理的样品均表现出最佳导热性。相图计算表明，随着温度降低，Cu、Ca、Zn等溶质原子在基体中的浓度下降，有助于减轻晶格畸变，从而提高导热性。但在200 °C时，高密度的析出相和位错显著降低了电子的平均自由程，增强了载流子散射，导致导热性恶化。关于应变速率，在250-350 °C，降低应变速率延长了变形时间，促进了位错湮灭、晶粒长大和溶质原子的充分析出，从而减少了电子散射中心，提高了导热性。然而，在200 °C时，降低应变速率导致第二相更加密集，进一步缩短电子平均自由程，反而使导热性下降。
5. 结论
本研究系统阐明了热变形参数对ZXKC3000合金动态再结晶行为、塑性变形机制和导热性能的调控规律。随着变形温度升高，动态再结晶机制从连续动态再结晶和孪生诱导动态再结晶转变为连续动态再结晶和不连续动态再结晶共同主导，晶粒尺寸粗化，动态再结晶分数增加；塑性变形机制则由基面滑移和孪生主导转变为多滑移系协调激活，织构减弱。导热性能受溶质原子、第二相、晶界和位错等多因素竞争影响，在250 °C变形温度下，由于溶质原子充分析出且第二相密度适中，合金获得最佳导热性；降低应变速率（250-350 °C范围内）通常有利于导热性提升。这些发现为通过热加工工艺设计调控微观结构以获得高性能高导热变形镁合金提供了定量化的理论依据和实验指导。
