一种添加混合稀土的高强高导热变形镁合金及其制备方法

本发明属于有色金属领域，具体涉及导热变形镁合金及其制备方法。

背景技术：

1、随着航空航天、新能源汽车、3c产品等领域的不断发展，对于轻量化散热结构材料需求越来越大。镁的密度为1.74g/cm3，为铝的2/3、铜的1/5，是最轻金属结构材料；同时导热系数为156w/(m·k)，是新一代轻量化导热件材料。然而，镁的力学性能较差，合金化是提高力学性能的有效手段，但合金化往往会带来导热性能的下降，如商业镁合金az91导热系数仅有58w/(m·k)、as21导热系数为68w/(m·k)、we43导热系数为51w/(m·k)。

2、铸造导热镁合金要兼顾导热和强度，通常需要较为复杂合金成分(四元及四元以上体系)。如：mg-al合金通过添加多种稀土元素mg-3a1-3ce-0.25mn-1.55la-0.6zn-0.15ca压铸试样[一种汽车逆变器壳体用高导热压铸镁合金，cn109136699b]其导热～110w/(m·k)、抗拉强度～220mpa，但合金成分过于复杂，制备难度极大。铸造导热镁合金在散热外壳件等对力学要求不高应用场景中(～100mpa)，其导热常常能超过130w/(m·k)，如低锡含量的铸造mg-2sn-2.3la合金其导热系数达到149w/(m·k)，[journal of materialsresearch and technology，2022，17：1380-1389]。压铸稀土镁合金，稀土作为主合金元素其非la、ce系列导热w/(m·k)，但强度也停留～220mpa通常只有50～80w/(m·k)，强度～100mpa[journal of materials science&technology，2017，33：1240-1248；苏创业，基于固溶原子和第二相的镁合金导热机制研究.上海交通大学，2019；应韬.纯镁和二元镁合金的导热行为研究.哈尔滨工业大学，2015.]，而la、ce系列其导热稍好可以达到90～110w/(m·k)如：mg-5la-3a1-0.3mn变形镁合金，稀土la元素作为主合金元素存在，其室温导热系数为117.4w/(m·k)，抗拉强度可以达到332.2mpa[materials.2022；15(3)：1078]。由此可见，现有铸造高强高导热镁合金往往需要复杂的成分设计，其制备加工成分控制难度大；稀土为主合金(添加量在1～5％)的铸造导热镁合金在导热和强度兼顾上难度大，其性能距离实际应用还有一定差距。

3、在5g基站、车用构件等领域[2022年镁合金行业市场规模及发展前景趋势分析，中研普华]对导热和力学性能都具有较高要求的应用场景中，常采用变形导热镁合金如：mg-zn系、mg-mn系[镁及其合金导热研究进展.金属学报，2022，58(04)：400-411]。通过在上述二元体系中再加入1～2中合金元素，结合变形加工处理可以得到导热≥110w/(m·k)、强度≥250mpa变形材料。如：mg-2zn-zr合金经过643k/12h固溶→673k轧制→673k/1h退火→693k/4h+448k/24h时效后，室温导热系数为132.1w/(m·k)、抗拉强度为279mpa[journalof alloys and compounds 722(2017)772-777]；mg-5zn-1mn合金经过643k/12h固溶→623k挤压→673k/1.5h退火→448k/20h时效后，室温导热系数为122w/(m·k)、抗拉强度为321mpa。[高导热mg-zn-mn合金及其性能研究[d].北京有色金属研究总院]。稀土微量添加的变形导热镁合金是近年来研究重点，稀土作为微合金元素的加入(＜0.5％)，可以起到净化熔体、提升合金力学性能的作用，同时不显著降低合金导热性能[journal of materialsscience&technology 33(2017)1240-1248]。如：mg-0.9mn合金加入0.5wt.％的稀土ce元素，再经过施加40hz磁场的半连续铸造→500℃/24h均匀化退火→150℃挤压→200℃下轧制4次成形后，抗拉强度从320mpa提高至335mpa，但导热系数从140w/(m·k)仅降低10w/(m·k)[一种高强高导热镁合金及其制备方法，cn 114182147 b]；mg-0.5mn合金的基础上加入0.3wt.％的稀土ce元素，再经过t4(693k/12h)+挤压(673k)处理，抗拉强度从295.1mpa提升至320.9mpa，其室温导热系数保持在139w/(m·k)左右[journal of alloys andcompounds 661(2016)402-410]。在mg-2zn-0.41mn合金的基础上加入0.1wt.％～0.41wt.％的稀土ce，抗拉强度从254.5mpa提高至287.7mpa，其室温导热系数131.7w/(m·k)略有提升至138.3w/(m·k)[一种导热镁合金及其制备方法，cn104152769b]；mg-2.5zn-0.15zr合金的基础上加入0.1～0.5wt.％的稀土sm，抗拉强度从295.1mpa提升至312.6～316.7mpa其室温导热系数从118.1w/(m·k)略有提高至121.2w/(m·k)[一种高导热稀土镁合金及其制备方法，cn107130158b]。在其他多元变形镁合金中添加微量稀土，其表现出更好的力学和导热性能，如：mg-1.6％zn-0.6％cu-0.5％y合金经过400℃/12h均匀化退火→挤压成形→380℃/3h固溶→150℃/8h时效后，其室温导热系数为141.04w/(m·k)，抗拉强度为260mpa[一种高导热高强韧镁合金材料以及热变形热处理工艺，cn 114517268 a]；mg-4.2zn-0.5mn-0.4ca-0.25la合金在450℃/4h均匀化处理→450℃下沿x/y/z三个方向施加30％的预压缩变形→350℃挤压后，抗拉强度为313mpa，导热系数为140w/(m·k)。[一种低成本高导热超高塑性镁合金及其制备方法，cn 111218597 a]。相比铸造导热镁合金，变形导热镁合金其成分相对简单，但是变形工艺复杂；稀土作为微合金元素添加到变形镁合金(～0.5％)添加量少，故常需要使用高纯mg-ce、mg-la、mg-y等二元中间合金、高纯稀土金属。然而稀土元素容易共生，故高纯的二元中间合金、高纯稀土金属成本较高。

4、针对上述问题，本发明提出一种添加混合稀土的高强高导热变形镁合金及其制备方法，即采用混合稀土中间合金mg-la/ce的添加方式，不仅能提升变形镁合金力学和导热性能，同时相比加入二元中间合金、稀土金属大大降低导热变形合金制备成本。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种添加混合稀土的高强高导热变形镁合金及其制备方法，不仅能提高其导热和力学性能，同时大大降低合金制备成本。其变形镁合金为mg-xzn-0.5mn-yre，其中，x为0.5～3wt.％，y＜0.5wt.％，且re为任意la、ce混合比组成并通过mg-30la/ce混合稀土中间合金添加，中间合金中la/ce质量比为任意值)。其变形镁合金室温热导率≥120w/(m·k)，抗拉强度≥250mpa，延伸率≥13％。

2、其制备过程包括以下步骤：

3、(1)配料：按照化学计量比称取纯镁、纯锌、mg-10mn、mg-30la/ce混合稀土镁中间合金，对原料在真空干燥箱加热至150℃下干燥预热。

4、(2)合金熔炼：①加热坩埚至400℃，通入1vol.％sf6和co2的混合气体，将纯镁放入坩埚内，撒一层溶剂防止局部过烧，均匀加热至700℃以上完全熔化；继续升温至720℃，按成分配比加入纯zn，并搅拌2分钟；升温至750℃，加入mg-10mn、mg-30la/ce中间合金，中间合金la/ce质量比为任意值，搅拌熔体3-5分钟，在溶液表面覆盖适量溶剂保温20min至中间合金全部熔化。②升温至750℃，通入氩气，加入2％熔体质量的rj-5精炼剂开始精炼，机械搅拌5-10分钟至液面出现镜面光泽，清除液面浮渣，轻撒覆盖剂；750℃下静置20min后进行扒渣，完成精炼过程。③待合金熔体降温至710℃时，将镁合金熔体浇注到充分预热的模具中，冷却到适当温度，开模取出铸锭。

5、(3)均匀化处理：将上述步骤制备的铸锭放入箱式电阻炉中，随炉缓慢升温至400℃，保温10h，取出铸锭空冷至室温。

6、(4)挤压变形：挤压前清除铸锭表面氧化皮，并将铸锭预热至390℃；设定挤压温度为390℃，挤压比为19∶1，挤压速率为2mm/s，得到镁合金棒材。

7、本发明所提出的一种添加混合稀土的高强高导热变形镁合金及其制备方法，在mg-zn-mn变形导热镁合金应用中，能显著提高力学性能，且导热不降低，并且可以延用其原有变形加工过程。这种稀土添加方式，不仅适用于mg-zn-mn，也可拓展应用其他变形镁合金体系，如mg-mn，mg-al等。