原標題：真空壓鑄對LA42鎂合金熱導率和力學性能的影響

摘 要：以Mg-4La-2Al-0.3Mn（LA42）合金為研究對象，利用OM、XCT等方法，結合復合材料導熱模型、強化模型，研究了真空壓鑄工藝對合金熱導率和力學性能的影響。結果表明，真空壓鑄對LA42合金的熱導率影響不大，歸因于壓鑄件的孔隙率低，相比固溶原子對熱導率的影響，可以忽略不計。但屈服強度和伸長率相比常規(guī)壓鑄分別提高了5.8%和25.7%。屈服強度的提升主要歸因于真空壓鑄條件下預結晶組織的減少和細小等軸晶分數的提高，伸長率的提升主要歸因于真空壓鑄條件下孔洞缺陷和預結晶組織分數的降低。

前 言：由于5G設備的高功率密度和高度集成化，有效的散熱對于維持電子產品的正常運行至關重要。因此，有必要采用結構功能一體化材料，以呈現輕量級、高強度和優(yōu)秀的散熱能力，能夠為5G設備提供持續(xù)散熱。鎂合金因其低密度、高比強度、低成本、低密度和環(huán)境友好性，具有廣泛的應用前景，是理想的散熱材料。高壓壓鑄作為一種高效，低成本的近凈成形技術，是5G結構件的首選成形方式。但是，充填過程中，往往伴隨氣體的卷入和補縮不足，最終在鑄件不同的位置形成氣孔和縮松等缺陷，導致微觀組織分布不均勻，極大地影響了壓鑄件的服役壽命和力學性能。而采用高真空壓鑄，能減少壓鑄件內部缺陷數量，改善充型和補縮能力，是提升壓鑄件力學性能的有效解決方法。然而，熱導率作為衡量5G結構件散熱能力的主要指標，真空壓鑄對鑄件熱導率的影響規(guī)律卻尚不明確，普遍認為，孔洞會阻斷熱量在鑄件中的傳輸，因此真空壓鑄應當有助于熱導率提升。同時，真空壓鑄對力學性能的提升，認為主要歸因于孔洞缺陷減少。因此，真空壓鑄對導熱性能和力學性能的影響行為，值得進一步研究。

本研究分別采用常規(guī)壓鑄和真空壓鑄工藝制備了一種擁有高熱導率的鎂合金（Mg-4La-2Al-0.3Mn，簡稱：LA42），系統(tǒng)分析了不同壓鑄工藝條件下合金的微觀組織差異，結合復合材料導熱模型，強化模型，分析真空壓鑄與常規(guī)壓鑄在熱導率、力學性能上的差異，闡明差異的原因，為相關領域的研究提供參考。

1、試樣制備與方法

采用冷室壓鑄機（伊之密DM300）制備了常規(guī)和真空條件下的LA42合金壓鑄件，制備過程中通有保護氣體（體積分數為95%的N2+0.5%的SF6）。合金實際成分通過ICP-OES測量獲得，見表1。壓鑄件外形及其相應的壓鑄工藝參數分別見圖1和表2。圖1中A為獲取力學性能的拉伸試棒（標距尺寸直徑為6.4 mm，長為60 mm，圖B為長190 mm，寬40 mm, 厚2.5 mm的試片，在圓圈區(qū)域切取直徑為12.7 mm的熱導率測量圓片，并在該位置沿厚度方向進行微觀組織觀察。

圖1 壓鑄樣件

表1 使用的合金成分 Wb/%

表2 使用的壓鑄工藝參數

采用XCT（phoenix V|tome|x m）對每種工藝至少3個熱導率樣品進行X射線斷層掃描，以獲取常規(guī)壓鑄和真空壓鑄的孔隙率。

采用Zwick/Roell拉伸試驗機，在室溫下以0.5 mm/min的拉伸速率對拉伸棒進行拉伸試驗。利用LFA-467激光導熱儀測量樣品的熱擴散系數，使用密度計（Sartorius Quintix124-1CN）對樣品的常溫密度進行測試，通過Neumann-Kopp定律計算獲得樣品的比熱容。試樣的熱導率可以由下式獲得：
                                    λ=αρCp           (1)
式中，α是熱擴散系數，ρ是密度，Cp是比熱容。

對試樣進行機械研磨、拋光和用鎂合金專用蝕刻劑（4 mL硝酸和96 mL乙醇）腐蝕5 s后，采用光學顯微鏡（Zeiss Axioscope 5）沿壓鑄件厚度方向進行微觀組織分析；采用搭載EDS的Hitachi SU-70掃描電鏡在至少10個基體區(qū)域測量固溶度；采用Image Pro Plus測量共晶體積分數；采用智鑄超云云平臺獲取常規(guī)壓鑄和真空壓鑄的冷卻速率曲線，求得對應的平均冷卻速率。

2、試驗結果及分析

2.1 微觀組織

圖2為LA42鑄件沿厚度方向的金相組織。可見常規(guī)壓鑄和真空壓鑄沿厚度方向的金相組織，均呈現典型的“三明治”結構。該“三明治”組織主要由3個區(qū)域組成，區(qū)域1是靠近模具內表面的表層區(qū)，區(qū)域2是鑄件中間的心部組織區(qū)，區(qū)域3是表層區(qū)和心部之間的缺陷帶。圖3為常規(guī)壓鑄沿厚度方向3個區(qū)域的SEM高倍組織。圖3a為表層組織，可見晶粒細小，呈現典型的等軸晶狀態(tài)，平均晶粒尺寸約為14μm。圖3b為缺陷帶組織，出現發(fā)達的共晶區(qū)域，絕大部分共晶組織由α-Mg+Al3La組成，少部分由α-Mg+Mg12La組成。圖3c為心部組織，含有大量粗大的預結晶組織，呈現枝晶形貌，枝晶間隙伴有縮松。對比圖2a和圖2b，可見真空壓鑄和常規(guī)壓鑄的組織存在顯著差異，具體參數見表3。常規(guī)壓鑄的表層組織薄，大為約621 μm，心部伴有大量預結晶組織，占整個厚度方向組織約10.5%，平均尺寸約為39.4 μm；而真空壓鑄的表層組織厚，大約為807 μm，心部的預結晶組織僅占整個厚度方向組織的1.4%，平均尺寸約為28.6 μm。

(a)常規(guī)壓鑄

(b)真空壓鑄

圖2 LA42壓鑄件沿厚度方向金相組織

(a)表層

(b)缺陷帶

(c)心部

圖3 LA42常規(guī)壓鑄件沿厚度方向表層、缺陷帶、心部的金相組織

真空壓鑄和常規(guī)壓鑄的組織差異主要原因在于空氣導熱系數很低，僅有0.023  W/(m·K)，而模具鋼H13的熱導率約為31.2 W/(m·K)，空氣的傳熱能力遠低于模具表面，因此，空氣類似于絕熱物質，真空條件下模具界面?zhèn)鳠嵯禂禃哂诔Ｒ?guī)壓鑄，冷卻速率更快，固溶原子濃度增加，表層組織更厚，α-Mg形核率高，晶粒更細，從而抑制了預結晶組織的進一步長大。

表3 常規(guī)壓鑄與真空壓鑄條件下相關參數對比

2.2 真空壓鑄對LA42合金熱導率的影響

常規(guī)壓鑄和真空壓鑄的密度，比熱容，熱擴散系數見表4。圖4為真空壓鑄和常規(guī)壓鑄熱導率對比圖?？梢钥闯觯婵諌鸿T并沒有導致熱導率顯著提升，甚至略微還有些降低。圖5為典型的三維孔洞分布圖，可以看出真空壓鑄后孔隙率顯著下降，平均孔隙率由常規(guī)壓鑄的0.32%降低至0.08%。

表4 常規(guī)壓鑄與真空壓鑄條件下的密度，比熱容，熱擴散系數

圖4 真空壓鑄與常規(guī)壓鑄的熱導率和孔隙率對比

圖5 LA42合金壓鑄件的三維孔洞分布

孔隙率對熱導率的影響可以由復合材料導熱模型表述：

式中，k為含孔隙純Mg的熱導率；Kair為空氣熱導率；f為孔隙率；KMg為純Mg熱導率，取158 W/(m·K)?？諝庀啾孺V合金的熱導率，相差6個數量級，因此，氣孔對熱量在合金中傳輸的影響，幾乎是阻斷性的。圖6為依據式(2)推算出純鎂熱導率隨孔隙率變化規(guī)律，可見每增加1%的孔隙率，熱導率降低2.3 W/(m·K)。然而，相比多孔材料，在壓鑄件中，孔隙率往往很低，一般不超過3%。真空壓鑄相比常規(guī)壓鑄，不僅僅是孔隙率降低，溶質原子濃度也提升，晶粒更細小。孔隙率相比固溶原子，對熱導率的影響相比，幾乎可以忽略不計。所以，真空壓鑄盡管可以降低合金中的孔隙率，但綜合來看，并不一定會導致熱導率提升。

圖6 基于復合材料導熱模型的純鎂熱導率隨孔隙率變化規(guī)律

2.3 真空壓鑄對LA42合金力學性能的影響

圖7為常規(guī)壓鑄與真空壓鑄的拉伸曲線和力學性能?？梢钥闯?，真空壓鑄相比常規(guī)壓鑄，屈服強度由146.2 MPa提高至154.7 MPa，提升率約5.8%，伸長率由10.5%提高至13.2%，提升率約25.7%，其強度差異可以歸結到不同的強化方式上。在鑄造合金中，主要強化方式包括晶界強化、固溶強化、第二相強化。

(a)拉伸曲線

(b)力學性能對比

圖7 常規(guī)壓鑄與真空壓鑄條件下LA42合金的拉伸曲線和力學性能

首先，晶界強化，主要由細小的等軸晶和粗大的預結晶組織提供，因此，傳統(tǒng)的晶界強化公式Hall-Petch可以轉變?yōu)椋?/p>

式中，бgs是晶界強化貢獻；б0是晶格摩擦應力；k為Hall-Petch系數，為220 MPa μm1/2；f預結晶和d預結晶分別為預結晶組織的體積分數和尺寸；f共晶和d細晶分別為共晶體積分數和等軸晶尺寸。分別計算常規(guī)壓鑄與真空壓鑄晶界強化貢獻，求得其差值，為7.3 MPa，見圖8。

固溶強化主要由基體中的La，Al，Mn元素提供，其固溶強化貢獻可表述為：

式中，бss是晶界強化貢獻；M是泰勒因子，取4.2；εb為尺寸偏差；εSFE為化學偏差；Cs為溶質原子濃度；對于εb，La，Al，Mn分別取29.59，-11.50，-35.60；對于εSFE，La，Al，Mn分別取-3.26，-1.25，2.12。分別計算常規(guī)壓鑄與真空壓鑄固溶強化貢獻，求得其差值，為2.6 MPa，見圖8。

第二相強化主要由共晶相提供，因此也可以稱為共晶相強化，共晶相的屈服強度可以通過屈服強度與硬度的線性關系求得，共晶相絕大部分由Al3La組成，其顯微硬度約為70 HV，其屈服強度可近似估計為140 MPa。因此，第二相強化可以表述為：

式中，бsp是第二相強化貢獻；Vsp是第二相體積分數；бeutectic是共晶相屈服強度。分別計算常規(guī)壓鑄與真空壓鑄第二相強化貢獻，求得其差值，為-1.1 MPa，見圖8。

從圖8可以清晰地發(fā)現，真空壓鑄與常規(guī)壓鑄在強度上的差異主要由晶界強化導致。晶界強化的差異主要取決于預結晶分數和細小等軸晶分數的差異。常規(guī)壓鑄的預結晶分數幾乎是真空壓鑄的10倍，而真空壓鑄的細小等軸晶分數遠高于常規(guī)壓鑄。同時，兩種壓鑄工藝的細小等軸晶尺寸相差不大。因此，主要是常規(guī)壓鑄的大量粗大預結晶組織顯著削弱了晶界強化效果，從而造成了真空壓鑄和常規(guī)壓鑄的強度差異。

圖8 常規(guī)壓鑄與真空壓鑄在不同強化機制上的差異

真空壓鑄與常規(guī)壓鑄的伸長率差異一方面歸因于孔洞缺陷，孔洞缺陷對伸長率的影響已被報道。但是真空壓鑄相比常規(guī)壓鑄，伸長率提高了25.7%，可能還存在其他因素。有研究發(fā)現，同一批壓鑄AE44合金，相比屈服強度和抗拉強度，伸長率的波動最大。通過原位拉伸試驗發(fā)現，除了孔洞缺陷處容易造成應力集中，粗大的預結晶組織也是造成應力集中的主要原因。并且，伸長率較低的樣品斷口表面，含有大量的預結晶組織。在常規(guī)壓鑄宏觀斷口表面，能發(fā)現大量的預結晶組織，伴隨著裸露的粗大枝晶，見圖9a；而在真空壓鑄斷口表面，能觀察到的裸露枝晶極少，說明存在的預結晶分數較低，見圖9b。因此，常規(guī)壓鑄的高預結晶組織分數，是導致其伸長率比真空壓鑄低的一個重要原因。

(a)常規(guī)壓鑄

(b)真空壓鑄

圖9 常規(guī)壓鑄和真空壓鑄的斷口表面

3、結論
（1）孔洞缺陷對熱導率有一定影響，每增加1%的孔隙率，熱導率下降2.3 W/(m·K)，但壓鑄件的孔隙率往往很低，與固溶原子對熱導率的影響相比，幾乎可以忽略不計。所以，真空壓鑄對熱導率的影響甚微。
（2）真空壓鑄冷卻速率快，表層厚，抑制了預結晶長大；常規(guī)壓鑄的預結晶分數是真空壓鑄的10倍，預結晶分數降低是造成真空壓鑄強度顯著提升的主要原因。
（3）真空壓鑄的低孔隙率和低預結晶分數，是伸長率顯著提升的主要原因。

作者
李子昕 張瑋宸 李德江 胡波 王雪楊 曾小勤
上海交通大學材料科學與工程學院
輕合金精密成型國家工程研究中心
林占宏 金晨 趙壽
青海鹽湖特立鎂有限公司
本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志