权利要求
1.一种双级沉淀强化Mg-Zn-Cu高导热变形镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、成分设计：Mg-Zn-Cu合金中，Zn和Cu两种元素的质量分数≤4%，其余为Mg;且Zn和Cu含量相等;
S2、合金熔炼得到铸态Mg-Zn-Cu;
S3、对铸态Mg-Zn-Cu进行反复多次的均质化处理;所述均质化处理是将铸态Mg-Zn-Cu升温至400℃~450℃保温15h~25h，然后立即水冷;
S4、将均质化处理后的Mg-Zn-Cu进行热挤压变形处理;所述的热挤压变形的挤压角度为90°，挤压速度为0.4mm/s，挤压比为25：1，挤压温度为220℃~240℃。
2.根据权利要求1所述的一种双级沉淀强化Mg-Zn-Cu高导热变形镁合金的制备方法，其特征在于，步骤S3中反复多次的均质化处理是将铸态Mg-Zn-Cu放入真空热处理炉当中，升温至430℃保温20h然后立即水冷至室温，之后重复上述操作3次，使总均质化时间为60h。
3.根据权利要求1所述的一种双级沉淀强化Mg-Zn-Cu高导热变形镁合金的制备方法，其特征在于，在热挤压变形处理前，对均质化处理后的Mg-Zn-Cu进行预热，且预热温度与挤压温度保持一致并保温1h~2h，之后进行热挤压变形。
4.根据权利要求1所述的一种双级沉淀强化Mg-Zn-Cu高导热变形镁合金的制备方法，其特征在于，经过热挤压变形处理的Mg-Zn-Cu采用水雾法冷却至室温。
5.根据权利要求1所述的一种双级沉淀强化Mg-Zn-Cu高导热变形镁合金的制备方法，其特征在于，合金熔炼设备采用箱式电阻炉，熔炼过程中采用氩气作为保护气。
6.根据权利要求5所述的一种双级沉淀强化Mg-Zn-Cu高导热变形镁合金的制备方法，其特征在于，合金熔炼之前将Mg、Zn、Cu的原料去除表面的氧化层，并将所有原料放入干燥箱中以200℃~220℃的温度干燥0.5h~1h;将覆盖剂和精炼剂研磨至粉状放入干燥箱中一同干燥;同时将表面均匀的涂有脱模剂的模具放入干燥箱中以200℃~220℃的温度预热。
8.根据权利要求7所述的一种双级沉淀强化Mg-Zn-Cu高导热变形镁合金的制备方法，其特征在于，熔化镁是将干燥后的纯镁放入坩埚中，在其表面撒上覆盖剂，合上炉盖并通氩气保护，按10℃/min将温度升至720℃并保温30min使纯镁完全熔化。
9.根据权利要求8所述的一种双级沉淀强化Mg-Zn-Cu高导热变形镁合金的制备方法，其特征在于，加锌熔化是待纯镁熔化并保温结束后，打开炉盖扒渣，然后加入纯锌，均匀的撒上覆盖剂后合上炉盖按10℃/min将温度升至750℃并保温5min。
10.根据权利要求9所述的一种双级沉淀强化Mg-Zn-Cu高导热变形镁合金的制备方法，其特征在于，加入铜熔化是待锌熔化并保温结束后，扒去熔体表面的浮渣，然后加入纯铜，带铜片变暗红色后搅拌2min，之后均匀的撒上覆盖剂合上炉盖，待电阻炉温度升至750℃后，保温5min。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于镁合金加工技术领域，涉及一种双级沉淀强化Mg-Zn-Cu高导热变形镁合金的制备方法。
背景技术
[0002]随着电子设备不断向小型化和高性能化发展，散热问题已成为限制其性能和可靠性的关键因素。除了优化设备结构外，设计和开发轻质且高导热的结构材料对于提升设备散热性能尤为重要。镁合金作为最轻的结构材料，其纯镁在室温下的导热率达到156W/(m·K)，仅次于铜和铝，是一种具有潜力的导热结构材料。
[0003]尽管纯镁具有高导热率，其力学性能不足限制了应用。通过合金化引入溶质原子可以提高其力学性能(如将抗拉强度提高至200MPa以上)，但同时会降低导热率，这是由于溶质原子对电子的散射作用。沉淀强化提供了一个解决方案，通过形成第二相减少基体中的溶质原子，提高导热率，同时阻碍位错运动来增强力学性能。例如，上海交通大学李子昕的研究表明，Mg-4Sm-2.6Al合金中的Al引入使得Sm与Al形成微米级AlSm相，从而提升导热率。然而，这种微米级颗粒因尺寸及分布问题可能限制综合性能。为突破这些限制，哈尔滨工业大学乔晓光研究通过形成纳米级第二相，在Mg-2Mn-2.5La合金中形成的动态沉淀α-Mn相，将导热率提高至135W/(m·K)。重庆大学李坤通过激光粉床熔融法和后续时效处理成功制备了WE43镁合金中的纳米级亚稳相。另一种方法是利用不混溶金属制备金属复合材料，例如中国科学院吴学邦利用放电等离子烧结技术制备的Cu-W合金，使Cu基体中均匀分布极细的W纳米颗粒，增强合金的强度、延展性和导热率。其他研究，如专利CN11557284A公开的一种铸态Mg-3Zn-2Cu合金的导电率最高为21.03MS/m，对应导热率约147W/(m·K);而专利CN117778784A提及一种经260℃挤压的Mg-3Zn-3Cu-0.6Mn合金，导热率达125.3W/(m·K);但是这些技术无法有效的兼顾机械性能和导热性能。
发明内容
[0004]本发明克服了现有技术的不足，提出一种双级沉淀强化Mg-Zn-Cu高导热变形镁合金的制备方法;通过实现微米级、纳米级沉淀强化，在增强镁合金机械性能的同时平衡导热性。
[0005]本发明是通过如下技术方案实现的：
一种双级沉淀强化Mg-Zn-Cu高导热变形镁合金的制备方法，包括以下步骤：
S1、成分设计：Mg-Zn-Cu合金中，Zn和Cu两种元素的质量分数≤4%，其余为Mg;且Zn和Cu含量相等;
S2、合金熔炼得到铸态Mg-Zn-Cu;
S3、对铸态Mg-Zn-Cu进行反复多次的均质化处理;所述均质化处理是将铸态Mg-Zn-Cu升温至400℃~450℃保温15h~25h，然后立即水冷;
S4、将均质化处理后的Mg-Zn-Cu进行热挤压变形处理;所述的热挤压变形的挤压角度为90°，挤压速度为0.4mm/s，挤压比为25：1，挤压温度为220℃~240℃。
[0006]优选的，步骤S3中反复多次的均质化处理是将铸态Mg-Zn-Cu放入真空热处理炉当中，升温至430℃保温20h然后立即水冷至室温，之后重复上述操作3次，使总均质化时间为60h。
[0007]优选的，在热挤压变形处理前，对均质化处理后的Mg-Zn-Cu进行预热，且预热温度与挤压温度保持一致并保温1h~2h，之后进行热挤压变形。
[0008]优选的，经过热挤压变形处理的Mg-Zn-Cu采用水雾法冷却至室温。
[0009]优选的，合金熔炼设备采用箱式电阻炉，熔炼过程中采用氩气作为保护气。
[0010]更优的，合金熔炼之前将Mg、Zn、Cu的原料去除表面的氧化层，并将所有原料放入干燥箱中以200℃~220℃的温度干燥0.5h~1h;将覆盖剂和精炼剂研磨至粉状放入干燥箱中一同干燥;同时将表面均匀的涂有脱模剂的模具放入干燥箱中以200℃~220℃的温度预热。
[0011]更优的，原料经过干燥后，先熔化镁，之后加锌熔化，再加入铜熔化。
[0012]更优的，熔化镁是将干燥后的纯镁放入坩埚中，在其表面撒上覆盖剂，合上炉盖并通氩气保护，按10℃/min将温度升至720℃并保温30min使纯镁完全熔化。
[0013]更优的，加锌熔化是待纯镁熔化并保温结束后，打开炉盖扒渣，然后加入纯锌，均匀的撒上覆盖剂后合上炉盖按10℃/min将温度升至750℃并保温5min。
[0014]更优的，加入铜熔化是待锌熔化并保温结束后，扒去熔体表面的浮渣，然后加入纯铜，带铜片变暗红色后搅拌2min，之后均匀的撒上覆盖剂合上炉盖，待电阻炉温度升至750℃后，保温5min。
[0015]本发明合金设计的原理：
在合金设计中，本发明为了在保持导热性优良的同时提升力学性能，选择了对导热影响较小的锌(Zn)元素，以及能够改变镁锌(Mg-Zn)合金第二相形貌并提高元素固溶度的铜(Cu)元素，来实现高导热变形镁合金的制备。Zn能提高Mg合金的抗拉强度，但会降低延伸率，并增加热裂及缩松倾向。为此，在Mg-Zn基础合金中加入Cu元素，因其具有晶粒细化作用，还能将MgZn相转变为连续网状的MgZnCu相，提升了合金的共晶温度，使高温均质化处理成为可能。这样不仅增加了Zn和Cu的固溶度，还形成了过饱和固溶体，为后续实现微米级和纳米级的双级沉淀强化打下基础。
[0016]本发明通过降低合金化程度并经过均质化处理，形成过饱和固溶体;在热挤压过程中，结合塑性变形，通过增加缺陷密度，为纳米级析出相提供成核点，基体中的Zn和Cu元素在塑性变形过程中动态析出，形成纳米级析出相，同时在挤压过程中析出微米级析出相。这些析出相与塑性变形过程中破碎的MgZnCu相结合，形成微米级和纳米级的双级沉淀强化，从而有效平衡导热性能与力学性能。
[0017]本发明通过研究热变形对Mg-Zn-Cu系镁合金的组织与性能的影响，以及挤压温度对其导热和力学性能的影响，详细阐述了热挤压及挤压温度对α-Mg基体和MgZnCu相的作用。通过调整挤压温度，揭示了合金导热率、力学性能与组织变化之间的关系，从而成功制备出一种具有双级沉淀强化特性的Mg-Zn-Cu高导热变形镁合金。
[0018]本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：
1、本发明提出采用低合金含量和微米级、纳米级双级沉淀强化，平衡材料的导热和力学性能。纳米级析出相可以通过快速凝固和金属基材料复合制备实现。快速凝固技术通过快速冷却产生过饱和固溶体，并通过热处理促进纳米相析出。
[0019]2、相比于现有方法，本发明采用均质化处理结合塑性变形，形成纳米级析出相。通过均质化形成过饱和固溶体，再通过热挤压引入高密度位错和晶界，提供纳米相析出的形核位置，从而形成纳米级析出相。相比于激光粉床熔融法和金属基复合材料，本发明方法工艺简单的同时热挤压成型后的组织更为致密，孔隙率低，同时挤压成型后表面粗糙度低，可选择的合金体系多，设备成本低。
[0020]3、本发明通过设置Zn/Cu比、低合金化、挤压温度及90°挤压角度，实现了微米级、纳米级沉淀强化，在增强机械性能的同时平衡了导热性。
附图说明
[0021]图1是本发明所述双级沉淀强化Mg-Zn-Cu高导热变形镁合金制备方法的工艺流程图;
图2是实施例中Mg-1Zn-1Cu、Mg-2Zn-2Cu合金铸态及挤压态合金的扫描显微组织照片;其中(a)为铸态的Mg-1Zn-1Cu;(b)为220℃挤压态的Mg-1Zn-1Cu;(c)为240℃挤压态的Mg-1Zn-1Cu;(d)为铸态的Mg-2Zn-2Cu;(e)为220℃挤压态的Mg-2Zn-2Cu;(f)为240℃挤压态的Mg-2Zn-2Cu;
图3是实施例中Mg-1Zn-1Cu、Mg-2Zn-2Cu合金铸态及挤压态合金的力学性能;
图4是实施例中Mg-1Zn-1Cu、Mg-2Zn-2Cu合金铸态及挤压态合金的导热率。
具体实施方式
[0022]为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
[0023]参见图1，本实施例提出一种双级沉淀强化Mg-Zn-Cu高导热变形镁合金的制备方法;具体包括以下步骤：
S1、成分设计
为实现高导热率，所以本实施例中合金化程度较低，总合金化元素含量(质量分数)≤4%，同时设置Zn、Cu含量相等。本实施例设计了两组不同合金化程度且Zn、Cu含量相等的镁合金体系，分别为：Mg-1Zn-1Cu，Mg-2Zn-2Cu。
[0024]S2、合金熔炼
本实施例采用高纯镁锭、高纯锌锭以及高纯铜片作为原材料，熔炼设备采用箱式电阻炉，熔炼过程中采用氩气作为保护气，制备了Mg-1Zn-1Cu，Mg-2Zn-2Cu两组镁合金试样。详细步骤如下：
S2.1、原料准备：去除原料表面的氧化层，并将其放入干燥箱中以200℃的温度干燥30min;将覆盖剂和精炼剂利用研磨钵研磨至粉状放入干燥箱中一同干燥;同时将表面均匀的涂有脱模剂的模具放入干燥箱中200℃预热;
S2.2、熔化纯镁：将内壁涂有ZnO的坩埚放入电阻炉，然后将电阻炉按照10℃/min升温至500℃，将干燥后的纯镁放入坩埚中，在其表面撒上覆盖剂，合上炉盖并通氩气保护。镁合金是一种高活性且热力学不稳定的材料，在熔炼过程中，熔融的镁容易与空气中的氧气发生剧烈反应，因此在熔炼过程中，采用氩气和盐类覆盖剂进行保护。按10℃/min将温度升至720℃并保温30min使纯镁完全熔化;
S2.3、加锌：待保温结束后，打开炉盖扒渣，然后加入纯锌，均匀的撒上覆盖剂后合上炉盖按10℃/min将温度升至750℃并保温5min;
S2.4、加铜：待保温结束后，用扒渣棒扒去熔体表面的浮渣，然后加入纯铜，带铜片变暗红色后利用搅拌棒搅拌2min，之后均匀的撒上覆盖剂合上炉盖，待电阻炉温度升至750℃后，保温5min;
S2.5、成分检测：保温结束后，利用取样勺取样并浇注光谱仪测试试样，检测完成后补充熔炼过程中烧损，对于Mg-1Zn-1Cu是将Zn的质量百分比补充至1%，Cu的质量百分比补充至1%，其余为Mg，得到镁合金熔液;对于Mg-2Zn-2Cu是将Zn的质量百分比补充至2%，Cu的质量百分比补充至2%，其余为Mg，得到镁合金熔液;
S2.6、精炼：将电阻炉温度降至730℃，利用扒渣棒除去表面浮渣，加入精炼剂，并用搅拌棒充分搅拌2-3min，随后均匀的撒上覆盖剂，合上炉膛，将温度升至750℃，静置20min;
S2.7、浇注：待保温结束后，将电阻炉温度降低至730℃，除去表面浮渣，将镁合金熔体浇注到预热后的模具中，待模具温度冷却到室温后取出铸态合金试样。
[0025]S3、均质化处理
对Mg-1Zn-1Cu，Mg-2Zn-2Cu两组合金进行均质化处理。在进行均质化处理前，利用车床从铸态合金试样上切取尺寸为Φ80mm×20mm的圆柱试样;同时对铸态合金试样进行了差热分析(DSC)。结果显示，在470℃处出现了一个吸热峰，表明合金中第二相熔化。为避免第二相过烧，固溶温度设定为430℃。之后利用真空热处理炉对铸态合金试样进行总时间为60h的多次均质化处理得到均质化后的合金试样，详细步骤为：将铸态合金试样放入真空热处理炉当中，升温至430℃保温20h然后立即将铸态合金试样水冷至室温，之后重复上述操作3次，确保总均质化时间为60h。
[0026]传统的均质化处理通常是将合金加热至特定温度并保温一段时间，以消除材料内部化学成分的不均匀分布。然而，长时间的高温保温会导致晶粒粗化，从而降低材料的力学性能。为了解决这一问题，本发明采用多次均质化处理的方法，在保持高温保温总时间不变的情况下，将均质化过程分成多次进行。这种方法在实现成分均匀的同时，有效降低了晶粒粗化的负面影响。
[0027]S4、热挤压变形
将均质化后的合金试样表面打磨光滑以保证挤压表面的光洁度，挤压前对均质化后的合金试样预热，且预热温度与挤压温度保持一致并保温1h，之后进行合金的热挤压变形，挤出的试样采用水雾法冷却至室温。本实施例采用的挤压参数具体为：挤压模具角度为90°，挤压速度为0.4mm/s，挤压比为25：1;挤压温度为240℃和220℃;即两种镁合金Mg-1Zn-1Cu和Mg-2Zn-2Cu各取两个平行样，每种镁合金的两个平行样分别采用以下两种热挤压参数处理：
(1)挤压角度为90°，挤压速度为0.4mm/s，挤压比为25：1，挤压温度为240℃;
(2)挤压角度为90°，挤压速度为0.4mm/s，挤压比为25：1，挤压温度为220℃;
本实施例选择的挤压温度分别为240℃和220℃，挤压速度为0.4mm/s。采用低温、慢速挤压可以有效减少由于摩擦在挤压过程中胚料与套筒之间产生的热量，从而限制动态再结晶晶粒的长大。此外，低温、慢速挤压还能使材料的流动性变化较小，有助于实现组织的均匀分布。本实施例中选择的挤压比为25:1，挤压模具角度为90°，通过大挤压比和平面模具的结合，可以在挤压过程中增大坯料所受的横向剪切应力，并减少挤压过程中不参与流动和变形的坯料死区，从而提高材料变形的均匀性，使合金的组织更加均匀。
[0028]S5、结果分析
(1)铸态合金由α-Mg基体以及颗粒状和半连续网状的MgZnCu相组成。经过均质化处理和热挤压变形后，MgZnCu相的形貌转变为颗粒状，同时基体中在挤压过程中动态析出纳米级析出相(参见图2)。热挤压变形后，由于动态再结晶，合金的晶粒尺寸减小，微米级和纳米级的双级沉淀强化显著提升了合金的力学性能。对于铸态Mg-1Zn-1Cu合金，其极限抗拉强度为109.4MPa，延伸率为12%。经过220℃热挤压变形后，抗拉强度提升至224.8MPa，延伸率达到22%;相比之下，240℃热挤压变形后，抗拉强度为217.9MPa，延伸率为21%。对于铸态Mg-2Zn-2Cu合金，其极限抗拉强度为104.8MPa，延伸率为8%。经过220℃热挤压变形后，抗拉强度提升至222.8MPa，延伸率为12%;相比之下，240℃热挤压变形后，抗拉强度为222.1MPa，延伸率达到25%;(参见表1和图3)。
[0029]
[0030](2)铸态Mg-1Zn-1Cu合金由于采用较少合金化元素，因此在铸态时具有较高的导热率，为145.4W/(m·K)。经过热挤压变形后，微米级和纳米级双级沉淀强化形成析出相，减少了基体中的溶质原子，从而提升导热率。在220℃挤压态下，导热率升至149.5W/(m·K)，而在240℃挤压态下进一步提高至151.9W/(m·K)。相较而言，铸态Mg-2Zn-2Cu合金由于引入更多溶质原子，其导热率为132.2W/(m·K)。经过均质化处理和220℃热挤压变形后，这一合金的导热率显著上升至150.1W/(m·K);在240℃挤压变形后，导热率为149.7W/(m·K);(参见表2图4)。
[0031]
[0032]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
说明书附图(4)
