低膨胀高导热镁硅合金的组织与性能研究

发布时间：2020-05-05 14:44

【摘要】：镁合金以其轻质、高比强度、优良的电磁屏蔽性能等优势成为工程应用中的研究对象,随着航空航天、电子电路的发展,对电子封装材料提出了轻质、低成本、高导热、低膨胀等要求,高性能LED器件也需要低密度高性能的新型功能材料,利用镁基体良好的导热性,引入低膨胀的第二相,使得镁合金的轻质优势可以在以上领域得到应用。同为轻质合金的高硅铝合金,在电子封装应用领域有着越来越多的研究,而镁合金的热物理性能相关研究较为缺乏,尤其是在热膨胀性能方面。本文通过引入具有低膨胀系数的Mg_2Si相,研究了合金元素、第二相对镁合金热物理性能的影响,讨论了组织与镁合金热物理性能之间的关系。制备了不同Si含量的铸态镁硅二元合金,利用激光导热分析仪和热膨胀仪测定了合金的热物理性能,利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)分析了合金的相组成。随温度的升高,低含量镁硅二元合金的导热率逐渐下降,继续添加Si元素,热导率有上升趋势,随着Si含量的增加,二元合金热导率逐渐下降,Si元素引入了晶格畸变和Mg_2Si第二相界面,增加了电子和声子的散射,使得热导率下降。共晶成分附近,析出的初生Mg_2Si相消耗了Mg基体中的Si元素,使晶格畸变减小,热导率升高,达到了130.9 W/m·K。随着温度的升高,Mg-Si二元合金的热膨胀系数先线性上升,再缓慢上升。随着Si含量的增加,在合金中引入了大量的硬质低膨胀Mg_2Si相,使得合金材料的热膨胀系数下降。添加Ca元素对Mg-4Si合金的进行变质处理,通过吸附在Mg_2Si相表面,抑制了Mg_2Si相的优先生长,使得初生相转变为细小的规则多边形,Ca元素能在合金中形成针状CaMgSi相,由此产生的应力集中会降低合金力学性能。Ca元素的添加使得合金的热导率小幅下降,这是由于Ca元素添加使得固溶元素增加与含Ca化合物的生成以及初生Mg_2Si相的细化与共晶Mg_2Si相形态的改变相互作用的结果,继续添加Ca元素,合金室温热导率有明显的降低后趋于平稳,这是因为固溶在基体中的Ca元素增加和Mg_2Si相变质效果变化不大导致的。随着Ca元素的添加,合金的热膨胀系数先下降后上升,在含量为0.4wt.%时有最低的热膨胀系数,低膨胀第二相的细化使得合金热膨胀系数下降,而尺寸的进一步降低导致的随动效应和内应力的增加使得合金热膨胀系数上升。添加相同质量分数的Ce元素与Ca元素对Mg-4Si合金进行变质,Ca元素的变质效果较Ce元素更佳,Ce元素的变质机理同样为吸附毒化机制,Ca变质下初生相尺寸更小,共晶相呈短棒状存在,合金材料热导率较Ce变质差别不大,而热膨胀系数更低,力学性能更佳。
【图文】：

式样,模具,中间合金

1 材料制备.1 试验材料本研究以镁硅二元合金为主要研究对象，所用的合金原材料为纯 Mg（99.95%）、-5%Si 中间合金，变质剂为 Mg-30%Ce 中间合金、Mg-30%Ca 中间合金。.2 合金熔炼工艺合金熔炼采用低碳钢制双层保温坩埚，在 SG-5-12 型电阻炉中加热。首先按成分例配备原料，将合金原料预热干燥，将纯镁、Mg-5%Si 中间合金放入坩埚中升温熔，熔炼过程中通入 SF6+N2混合气体保护，合金熔化后加入中间合金进行变质处理，，完全熔化后向熔体中通入高纯 Ar2精炼 5min，扒去表面浮渣，保温静置 30min，将属液浇入标准拉伸试样模具中，如下图 2-1 所示。部分熔体浇入钢制阶梯模样中。

二元合金相图,二元合金相图,初生,共晶

华中科技大学硕士学位论文树枝晶状 α-Mg 基体和网状共晶 Mg2Si 相组成，共晶 Si 含量大的等轴晶，在组织中出现少量细小的初生 Mg2Si 相；添加枝晶变为块状晶，初生 Mg2Si 的尺寸增加，向多边形状发g 晶粒逐渐变得细小，分布均匀，初生 Mg2Si 相数量增多，Si 含量时，初生 Mg2Si 形成粗大的树枝状，共晶 Mg2Si 相呈
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.22

【参考文献】