原标题：真空压铸对LA42镁合金热导率和力学性能的影响

摘 要：以Mg-4La-2Al-0.3Mn（LA42）合金为研究对象，利用OM、XCT等方法，结合复合材料导热模型、强化模型，研究了真空压铸工艺对合金热导率和力学性能的影响。结果表明，真空压铸对LA42合金的热导率影响不大，归因于压铸件的孔隙率低，相比固溶原子对热导率的影响，可以忽略不计。但屈服强度和伸长率相比常规压铸分别提高了5.8%和25.7%。屈服强度的提升主要归因于真空压铸条件下预结晶组织的减少和细小等轴晶分数的提高，伸长率的提升主要归因于真空压铸条件下孔洞缺陷和预结晶组织分数的降低。

前 言：由于5G设备的高功率密度和高度集成化，有效的散热对于维持电子产品的正常运行至关重要。因此，有必要采用结构功能一体化材料，以呈现轻量级、高强度和优秀的散热能力，能够为5G设备提供持续散热。镁合金因其低密度、高比强度、低成本、低密度和环境友好性，具有广泛的应用前景，是理想的散热材料。高压压铸作为一种高效，低成本的近净成形技术，是5G结构件的首选成形方式。但是，充填过程中，往往伴随气体的卷入和补缩不足，最终在铸件不同的位置形成气孔和缩松等缺陷，导致微观组织分布不均匀，极大地影响了压铸件的服役寿命和力学性能。而采用高真空压铸，能减少压铸件内部缺陷数量，改善充型和补缩能力，是提升压铸件力学性能的有效解决方法。然而，热导率作为衡量5G结构件散热能力的主要指标，真空压铸对铸件热导率的影响规律却尚不明确，普遍认为，孔洞会阻断热量在铸件中的传输，因此真空压铸应当有助于热导率提升。同时，真空压铸对力学性能的提升，认为主要归因于孔洞缺陷减少。因此，真空压铸对导热性能和力学性能的影响行为，值得进一步研究。

本研究分别采用常规压铸和真空压铸工艺制备了一种拥有高热导率的镁合金（Mg-4La-2Al-0.3Mn，简称：LA42），系统分析了不同压铸工艺条件下合金的微观组织差异，结合复合材料导热模型，强化模型，分析真空压铸与常规压铸在热导率、力学性能上的差异，阐明差异的原因，为相关领域的研究提供参考。

1、试样制备与方法

采用冷室压铸机（伊之密DM300）制备了常规和真空条件下的LA42合金压铸件，制备过程中通有保护气体（体积分数为95%的N2+0.5%的SF6）。合金实际成分通过ICP-OES测量获得，见表1。压铸件外形及其相应的压铸工艺参数分别见图1和表2。图1中A为获取力学性能的拉伸试棒（标距尺寸直径为6.4 mm，长为60 mm，图B为长190 mm，宽40 mm, 厚2.5 mm的试片，在圆圈区域切取直径为12.7 mm的热导率测量圆片，并在该位置沿厚度方向进行微观组织观察。

图1 压铸样件

表1 使用的合金成分 Wb/%

表2 使用的压铸工艺参数

采用XCT（phoenix V|tome|x m）对每种工艺至少3个热导率样品进行X射线断层扫描，以获取常规压铸和真空压铸的孔隙率。

采用Zwick/Roell拉伸试验机，在室温下以0.5 mm/min的拉伸速率对拉伸棒进行拉伸试验。利用LFA-467激光导热仪测量样品的热扩散系数，使用密度计（Sartorius Quintix124-1CN）对样品的常温密度进行测试，通过Neumann-Kopp定律计算获得样品的比热容。试样的热导率可以由下式获得：
                                    λ=αρCp           (1)
式中，α是热扩散系数，ρ是密度，Cp是比热容。

对试样进行机械研磨、抛光和用镁合金专用蚀刻剂（4 mL硝酸和96 mL乙醇）腐蚀5 s后，采用光学显微镜（Zeiss Axioscope 5）沿压铸件厚度方向进行微观组织分析；采用搭载EDS的Hitachi SU-70扫描电镜在至少10个基体区域测量固溶度；采用Image Pro Plus测量共晶体积分数；采用智铸超云云平台获取常规压铸和真空压铸的冷却速率曲线，求得对应的平均冷却速率。

2、试验结果及分析

2.1 微观组织

图2为LA42铸件沿厚度方向的金相组织。可见常规压铸和真空压铸沿厚度方向的金相组织，均呈现典型的“三明治”结构。该“三明治”组织主要由3个区域组成，区域1是靠近模具内表面的表层区，区域2是铸件中间的心部组织区，区域3是表层区和心部之间的缺陷带。图3为常规压铸沿厚度方向3个区域的SEM高倍组织。图3a为表层组织，可见晶粒细小，呈现典型的等轴晶状态，平均晶粒尺寸约为14μm。图3b为缺陷带组织，出现发达的共晶区域，绝大部分共晶组织由α-Mg+Al3La组成，少部分由α-Mg+Mg12La组成。图3c为心部组织，含有大量粗大的预结晶组织，呈现枝晶形貌，枝晶间隙伴有缩松。对比图2a和图2b，可见真空压铸和常规压铸的组织存在显著差异，具体参数见表3。常规压铸的表层组织薄，大为约621 μm，心部伴有大量预结晶组织，占整个厚度方向组织约10.5%，平均尺寸约为39.4 μm；而真空压铸的表层组织厚，大约为807 μm，心部的预结晶组织仅占整个厚度方向组织的1.4%，平均尺寸约为28.6 μm。

(a)常规压铸

(b)真空压铸

图2 LA42压铸件沿厚度方向金相组织

(a)表层

(b)缺陷带

(c)心部

图3 LA42常规压铸件沿厚度方向表层、缺陷带、心部的金相组织

真空压铸和常规压铸的组织差异主要原因在于空气导热系数很低，仅有0.023  W/(m·K)，而模具钢H13的热导率约为31.2 W/(m·K)，空气的传热能力远低于模具表面，因此，空气类似于绝热物质，真空条件下模具界面传热系数会高于常规压铸，冷却速率更快，固溶原子浓度增加，表层组织更厚，α-Mg形核率高，晶粒更细，从而抑制了预结晶组织的进一步长大。

表3 常规压铸与真空压铸条件下相关参数对比

2.2 真空压铸对LA42合金热导率的影响

常规压铸和真空压铸的密度，比热容，热扩散系数见表4。图4为真空压铸和常规压铸热导率对比图。可以看出，真空压铸并没有导致热导率显著提升，甚至略微还有些降低。图5为典型的三维孔洞分布图，可以看出真空压铸后孔隙率显著下降，平均孔隙率由常规压铸的0.32%降低至0.08%。

表4 常规压铸与真空压铸条件下的密度，比热容，热扩散系数

图4 真空压铸与常规压铸的热导率和孔隙率对比

图5 LA42合金压铸件的三维孔洞分布

孔隙率对热导率的影响可以由复合材料导热模型表述：

式中，k为含孔隙纯Mg的热导率；Kair为空气热导率；f为孔隙率；KMg为纯Mg热导率，取158 W/(m·K)。空气相比镁合金的热导率，相差6个数量级，因此，气孔对热量在合金中传输的影响，几乎是阻断性的。图6为依据式(2)推算出纯镁热导率随孔隙率变化规律，可见每增加1%的孔隙率，热导率降低2.3 W/(m·K)。然而，相比多孔材料，在压铸件中，孔隙率往往很低，一般不超过3%。真空压铸相比常规压铸，不仅仅是孔隙率降低，溶质原子浓度也提升，晶粒更细小。孔隙率相比固溶原子，对热导率的影响相比，几乎可以忽略不计。所以，真空压铸尽管可以降低合金中的孔隙率，但综合来看，并不一定会导致热导率提升。

图6 基于复合材料导热模型的纯镁热导率随孔隙率变化规律

2.3 真空压铸对LA42合金力学性能的影响

图7为常规压铸与真空压铸的拉伸曲线和力学性能。可以看出，真空压铸相比常规压铸，屈服强度由146.2 MPa提高至154.7 MPa，提升率约5.8%，伸长率由10.5%提高至13.2%，提升率约25.7%，其强度差异可以归结到不同的强化方式上。在铸造合金中，主要强化方式包括晶界强化、固溶强化、第二相强化。

(a)拉伸曲线

(b)力学性能对比

图7 常规压铸与真空压铸条件下LA42合金的拉伸曲线和力学性能

首先，晶界强化，主要由细小的等轴晶和粗大的预结晶组织提供，因此，传统的晶界强化公式Hall-Petch可以转变为：

式中，бgs是晶界强化贡献；б0是晶格摩擦应力；k为Hall-Petch系数，为220 MPa μm1/2；f预结晶和d预结晶分别为预结晶组织的体积分数和尺寸；f共晶和d细晶分别为共晶体积分数和等轴晶尺寸。分别计算常规压铸与真空压铸晶界强化贡献，求得其差值，为7.3 MPa，见图8。

固溶强化主要由基体中的La，Al，Mn元素提供，其固溶强化贡献可表述为：

式中，бss是晶界强化贡献；M是泰勒因子，取4.2；εb为尺寸偏差；εSFE为化学偏差；Cs为溶质原子浓度；对于εb，La，Al，Mn分别取29.59，-11.50，-35.60；对于εSFE，La，Al，Mn分别取-3.26，-1.25，2.12。分别计算常规压铸与真空压铸固溶强化贡献，求得其差值，为2.6 MPa，见图8。

第二相强化主要由共晶相提供，因此也可以称为共晶相强化，共晶相的屈服强度可以通过屈服强度与硬度的线性关系求得，共晶相绝大部分由Al3La组成，其显微硬度约为70 HV，其屈服强度可近似估计为140 MPa。因此，第二相强化可以表述为：

式中，бsp是第二相强化贡献；Vsp是第二相体积分数；бeutectic是共晶相屈服强度。分别计算常规压铸与真空压铸第二相强化贡献，求得其差值，为-1.1 MPa，见图8。

从图8可以清晰地发现，真空压铸与常规压铸在强度上的差异主要由晶界强化导致。晶界强化的差异主要取决于预结晶分数和细小等轴晶分数的差异。常规压铸的预结晶分数几乎是真空压铸的10倍，而真空压铸的细小等轴晶分数远高于常规压铸。同时，两种压铸工艺的细小等轴晶尺寸相差不大。因此，主要是常规压铸的大量粗大预结晶组织显著削弱了晶界强化效果，从而造成了真空压铸和常规压铸的强度差异。

图8 常规压铸与真空压铸在不同强化机制上的差异

真空压铸与常规压铸的伸长率差异一方面归因于孔洞缺陷，孔洞缺陷对伸长率的影响已被报道。但是真空压铸相比常规压铸，伸长率提高了25.7%，可能还存在其他因素。有研究发现，同一批压铸AE44合金，相比屈服强度和抗拉强度，伸长率的波动最大。通过原位拉伸试验发现，除了孔洞缺陷处容易造成应力集中，粗大的预结晶组织也是造成应力集中的主要原因。并且，伸长率较低的样品断口表面，含有大量的预结晶组织。在常规压铸宏观断口表面，能发现大量的预结晶组织，伴随着裸露的粗大枝晶，见图9a；而在真空压铸断口表面，能观察到的裸露枝晶极少，说明存在的预结晶分数较低，见图9b。因此，常规压铸的高预结晶组织分数，是导致其伸长率比真空压铸低的一个重要原因。

(a)常规压铸

(b)真空压铸

图9 常规压铸和真空压铸的断口表面

3、结论
（1）孔洞缺陷对热导率有一定影响，每增加1%的孔隙率，热导率下降2.3 W/(m·K)，但压铸件的孔隙率往往很低，与固溶原子对热导率的影响相比，几乎可以忽略不计。所以，真空压铸对热导率的影响甚微。
（2）真空压铸冷却速率快，表层厚，抑制了预结晶长大；常规压铸的预结晶分数是真空压铸的10倍，预结晶分数降低是造成真空压铸强度显著提升的主要原因。
（3）真空压铸的低孔隙率和低预结晶分数，是伸长率显著提升的主要原因。

作者
李子昕 张玮宸 李德江 胡波 王雪杨 曾小勤
上海交通大学材料科学与工程学院
轻合金精密成型国家工程研究中心
林占宏 金晨 赵寿
青海盐湖特立镁有限公司
本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志