原標題：成形工藝及熱處理對 Mg-5Zn-2.5Cu 合金熱物理性能的影響

摘要：通過重力鑄造和擠壓鑄造制備了Mg-5Zn-2.5Cu-0.4Zr合金，研究了不同成形工藝和熱處理工藝對Mg-5Zn-2.5Cu-0.4Zr熱物理性能的影響。結果表明，擠壓鑄造相比于重力鑄造對于合金的熱導率有小幅提升，從128.22 W/（m·K）提升至130.35 W/（m·K）；但熱膨脹系數從22.03×10 -6 Kˉ¹ 升高至23.39×10ˉ6 Kˉ¹ 。通過擠壓鑄造和T1處理共同作用，能夠實現熱導率和熱膨脹性能的同步優化，熱導率提高至134.16 W/（m·K），熱膨脹系數下降至21.08×10﹣6 Kˉ¹。

鎂合金是目前為止工程應用中最輕質的金屬結構材料，密度僅為1.74 g/cm 3，約為鋁的2/3，鈦的2/5，鐵的1/4。與鋼鐵、鋁合金等傳統結構材料相比，鎂合金具有比強度高、比剛度高、導電導熱性能好、阻尼減震性能優異、電磁屏蔽性能突出以及易于成形加工等特點，在汽車、電子、3C、醫療、航空航天等領域都有著廣闊的應用前景，被譽為“21世紀綠色工程金屬結構材料”。

鎂合金不僅可以作為輕質結構材料，還可以作為芯片的封裝材料或電子產品的散熱部件。芯片作為通訊設備的“核心”，散熱問題影響著芯片的使用壽命。有報道表明，溫度每上升10 ℃，半導體芯片壽命縮短而失效的次數達到原來的三倍。室溫下，純鎂的熱導率可以達到156 W/（m·K），高于純Si的熱導率（135 W/（m·K）），因此純鎂有較好的散熱能力。

純鎂是無法直接作為工程散熱材料進行使用的，研究人員通過合金化的方法開發出了一系列綜合性能優良的導熱鎂合金。不同的合金元素對鎂合金導熱能力影響程度存在差異，但總體規律都是隨著合金元素含量升高，鎂合金熱導率下降。應韜對二元鎂合金的導熱性能進行了研究，合金添加元素為Al、Zn、Mn、Ca、Cu。得到合金元素添加對純鎂熱導率下降幅度大小的排序為：Zn電子封裝材料不僅要求材料具有良好的導熱能力，還要求材料的熱膨脹系數與基板相匹配，以避免芯片工作過程中因溫度升高導致的變形失效。純鎂的熱膨脹系數（25～100 ℃）為26.0×10-6Kˉ¹，在溫度升高時相對于芯片會發生較大變形。

純鎂是無法直接作為工程散熱材料進行使用的，研究人員通過合金化的方法開發出了一系列綜合性能優良的導熱鎂合金。不同的合金元素對鎂合金導熱能力影響程度存在差異，但總體規律都是隨著合金元素含量升高，鎂合金熱導率下降。應韜對二元鎂合金的導熱性能進行了研究，合金添加元素為Al、Zn、Mn、Ca、Cu。得到合金元素添加對純鎂熱導率下降幅度大小的排序為：Zn

電子封裝材料不僅要求材料具有良好的導熱能力，還要求材料的熱膨脹系數與基板相匹配，以避免芯片工作過程中因溫度升高導致的變形失效。純鎂的熱膨脹系數（25～100 ℃）為26.0×10 -6 K -1 ，在溫度升高時相對于芯片會發生較大變形。因此，如何降低鎂合金的熱膨脹系數也是需要解決的問題。將鎂合金與低膨脹系數增強相復合形成鎂基復合材料是降低鎂合金材料熱膨脹系數的有效方法。Md ErshadulAlam對比了AZ41鎂合金與1.5vol%Al?O?/AZ41復合材料的熱膨脹系數，結果表明，添加1.5vol%Al 2 O 3 使得材料的熱膨脹系數由27.1×10 -6 K -1降低到26.5×10 -6 K -1 。Meenashisundaram G.K [9] 等人制備了不同TiB 2 含量的TiB 2 /Mg復合材料，隨著TiB 2 含量增加至1.98%，復合材料的熱膨脹系數（50～350 ℃）下降至24.8×10 -6 K -1 ，相比于純鎂的26×10 -6 K -1 降低了8%。盡管復合材料在性能上能夠滿足熱膨脹性能的要求，但復合材料的制備相比于合金更加復雜，成本更高。目前關于低膨脹鎂合金的研究不足，特別是兼具高導熱與低膨脹性能的鎂合金材料。

因此，本工作基于Mg-Zn-Cu合金制備了一種Mg-5Zn-2.5Cu-0.4Zr合金，加入少量Zr以細化晶粒。研究了擠壓鑄造和重力鑄造兩種成形工藝對合金熱物理性能的影響，進一步在擠壓鑄造的基礎上進行時效處理，以期獲得高導熱低膨脹的鎂合金材料。

1、試驗材料與方法

試驗合金為Mg-5Zn-2.5Cu-0.4Zr鎂合金，經電阻爐720~740 ℃熔煉而成，其中Zn、Cu以純金屬形式加入，Zr以Mg-30Zr中間合金的形式加入，熔煉期間通入1vol.%SF6+99vol.%N? 混合氣體進行保護。為了研究成形工藝對合金熱物理性能的影響，分別通過擠壓鑄造和重力鑄造的方式得到鑄錠。擠壓鑄造時保壓壓力為100 MPa，保壓時間90s。擠壓鑄造獲得的鑄錠尺寸為Φ35 mm×90 mm，重力鑄造獲得的鑄錠尺寸為Φ35 mm×120 mm。為了對比不同時效工藝對合金熱物理性能的影響，對擠壓鑄造得到的鑄錠分別進行T1人工時效處理和T6時效處理。T1時效處理溫度設定為180℃，時效時間分別為6h和24h；T6熱處理工藝為真空爐中430 ℃等溫24 h后淬火，后進行180℃的時效處理，時效時間分別為6h和24h。從得到的鑄錠頂部中心部位取合適大小的合金鑲嵌制得金相試樣，使用4vol.%硝酸酒精溶液進行腐蝕，腐蝕時間3~5s，利用Nova Nano SEM 450場發射掃描電鏡拍攝合金的顯微組織圖片。

采用日本島津公司生產的X射線衍射儀（XRD-7000）獲得合金試樣的衍射圖譜。測試用的靶材為Cu靶，掃描角度范圍為10°~90°，掃描速率為10°/min。采用LFA-427型激光導熱儀測量不同工藝下合金的室溫熱導率，試樣尺寸為Φ12.7 mm×2.5 mm，以保證一維傳熱狀態。利用耐馳公司的DIL402型熱膨脹儀測量材料的熱膨脹系數，測試溫度區間為20~100 ℃，升溫速率10 ℃/min。

2、試驗結果及分析

2.1 合金組織與物相分析

圖1a、b分別是擠壓鑄造和重力鑄造獲得的Mg-5Zn-2.5Cu-0.4Zr合金的微觀組織圖像。從圖中可以看到，重力鑄造得到的合金由α-Mg與分布在晶界的第二相組成，少量第二相在晶粒內部彌散分布。從圖3的XRD衍射圖譜可知，擠壓鑄造并沒有改變合金的相組成，兩種成形工藝得到的合金主要組成相均為α-Mg和MgCuZn相。但是，對比擠壓鑄造和重力鑄造得到的合金的微觀組

織可以發現（圖1），重力鑄造制備的合金平均晶粒尺寸約為42 μm，擠壓鑄造將平均晶粒尺寸減小到18 μm。當金屬在壓力下凝固時，熔體與模具之間緊密接觸，熔體的熱量通過模具內腔迅速傳遞，從而獲得較高的冷速；另一方面，壓力使金屬的熔點升高，增大了形核過冷度，也使得擠壓鑄造的合金晶粒得到細化。

圖1 不同成形工藝Mg-5Zn-2.5Cu-0.4Zr合金SEM圖像

圖3 不同工藝狀態Mg-5Zn-2.5Cu-0.4Zr合金XRD圖

圖2 a、b分別是人工時效6 h和24 h后合金的微觀組織圖像，同鑄態的組織相比沒有明顯的變化，這是因為T1熱處理沒有經過固溶處理，再析出的合金元素與第二相有限，因此幾乎觀察不到組織變化。

圖2c、d分別是固溶+時效6 h和24 h后合金的微觀組織圖像，其中圖2d右上角是時效后第二相顆粒的形貌圖像?？梢钥吹?，網狀的第二相已經消失，取而代之的是呈項鏈狀分布的顆粒第二相，且時效時間越久，顆粒狀第二相析出越多。不同時效時間處理后合金的XRD圖譜表明，時效處理并沒有改變第二相，析出的顆粒狀第二相仍是MgCuZn相。

圖2 不同時效工藝Mg-5Zn-2.5Cu-0.4Zr合金SEM圖像

2.2 合金導熱性能分析

不同工藝下合金的熱導率如圖4所示。與重力鑄造制備的合金相比，擠壓鑄造獲得的合金熱導率更高。一方面擠壓鑄造減少了合金組織中氣孔的數目，氣孔的熱導率遠小于合金，因此擠壓鑄造的合金熱導率更高；另一方面，擠壓鑄造顯著減小了晶粒尺寸，雖然晶粒尺寸減小對于合金的熱導率是不利的 。但是MgCuZn相的分布更加連續，這對熱導率的提升是有幫助的。

圖4　不同工藝狀態和時效處理時間下Mg-5Zn-2.5Cu-0.4Zr合金室溫熱導率

從圖4中可以看出不論是T1時效還是T6時效，合金的熱導率都隨時效時間延長而增大。對于T1時效處理的合金，時效時間為6 h時，熱導率從鑄態的130.35 W/（m·K）增大到132.84 W/（m·K）；進一步延長時效時間至24 h，則熱導率增大到了134.16 W/（m·K）。T6時效處理的合金也表現出相同的趨勢，最終時效時間達到24 h時，合金的熱導率可以達到135.54 W/（m·K），略高于T1時效處理后合金的熱導率。

對比時效前后合金XRD圖譜中α-Mg三強峰的位置，發現時效處理后α-Mg三強峰對應的衍射角度更大，偏移角度約為0.1°。由布拉格衍射方程可知，衍射角越大，對應的晶面間距越小，這說明時效處理后α-Mg的晶格常數變小，晶格畸變的程度減輕。在時效過程中，固溶在α-Mg基體中的Zn原子會逐漸析出，減小了合金晶格畸變的程度，提高了合金熱導率。但是T1時效對合金熱導率的提升幅度小于T6時效的提升，這是由于T6時效相比T1時效多了一道固溶處理工藝。固溶處理一方面使Zn原子在α-Mg基體中達到過飽和狀態，為后續第二相的析出提供了驅動力；另一方面，固溶處理有效改善擠壓鑄造過程中產生的元素偏析現象，使得組織均勻化，增大了合金的熱導率。

2.3 合金熱膨脹性能分析

熱膨脹系數是表征材料尺寸隨溫度變化大小的熱物理參數，對于電子封裝材料是一項重要的性能指標。不同成形工藝及熱處理工藝得到的合金的平均熱膨脹系數-溫度曲線如圖5所示。隨著溫度升高，合金熱膨脹系數迅速增大。擠壓鑄造+T1熱處理的合金在所有溫度下的熱膨脹系數最低，而擠壓鑄造+T6熱處理的合金熱膨脹系數最大。由于電子元件通常工作溫度介于20～100 ℃，因此我們采用這個溫度區間內的平均熱膨脹系數來評價本試驗制備合金的熱膨脹性能，如圖6所示。從圖中可以看到，擠壓鑄造獲得的合金的熱膨脹系數為23.39×10-6 Kˉ¹ ，高于重力鑄造的22.03×10 -6 Kˉ¹ ，這是因為擠壓鑄造使得合金組織更加致密，降低了合金的孔隙率。合金發生熱膨脹現象時，實際膨脹量可以分為兩部分，一部分是合金外形尺寸的膨脹量，一部分則是填補孔隙的膨脹量?？紫堵试降?，外形尺寸的膨脹量占比越高，因此，合金的熱膨脹系數越高。

圖5 不同工藝狀態和時效時間Mg-5Zn-2.5Cu-0.4Zr合金熱膨脹系數曲

圖6 不同工藝狀態和時效時間Mg-5Zn-2.5Cu-0.4Zr合金20～100℃平均熱膨脹系數

T1時效處理6 h后，合金的熱膨脹系數由23.39×10 -6 Kˉ¹下降至21.25×10 -6 Kˉ¹ ；隨著時效時間達到24 h，熱膨脹系數進一步減小到21.08×10 -6 Kˉ¹ ，相比于鑄態合金下降了9.88%。T6時效處理6 h后，熱膨脹系數上升至25.60×10 -6 Kˉ¹ ，相比鑄態合金增加了9.45%；進一步延長時效時間至24 h，熱膨脹系數降低至25.08×10 -6 Kˉ¹ ，但仍高于鑄態合金。可以看出，不論是時效6 h還是24 h，合金的熱膨脹系數都高于未時效處理的合金。產生這種現象的原因是T6熱處理后，第二相由網狀變為顆粒狀分布在α-Mg基體上，阻礙了位錯回復，提高了材料的內應力，從而使原子能量升高，熱膨脹系數相比鑄態更高。對比兩種不同的時效工藝，T1時效處理對于我們制備的Mg-5Zn-2.5Cu-0.4Zr合金有著更明顯的減小熱膨脹系數的作用，而最終時效24 h后的合金熱膨脹系數僅有21.08×10 -6 Kˉ¹ ，相比純鎂下降了18.9%。

3、結論

（1）擠壓鑄造工藝在減少合金氣孔缺陷的同時，使第二相的分布更加連續，最終表現為合金的熱導率增加；壓力作用下使得凝固組織的孔隙率減小，導致材料的熱膨脹系數小幅增加。

（2）T6處理相比T1處理對于Mg-Zn-Cu合金的熱導率提升幅度更大，但是熱膨脹系數升高，膨脹性能也相應的下降。

（3）單一的成形工藝和熱處理工藝無法同時改善Mg-Zn-Cu合金的導熱性能和熱膨脹性能，通過擠壓鑄造工藝和T1熱處理工藝共同作用，可以實現合金的熱導率及熱膨脹性的同步優化。

作者：

陳露 李建鵬 吳樹森 呂書林 郭威

華中科技大學材料學院
材料成形與模具技術國家重點實驗室

本文來自:《鑄造》雜志2022年第1期第71卷