异质结构Mg-Mn-Ce合金中退火处理-微观组织-热导率关联机制的解析与调控

本研究针对Mg-Mn-Ce合金在热管理应用中热导率与力学性能难以协同优化的难题，通过系统分析退火温度（350-450°C）和时间（2-600min）对异质结构合金静态再结晶（SRX）、织构演变及纳米相（Mg12Ce/α-Mn）溶解行为的影响，揭示了晶粒生长与溶质原子对热导率的竞争机制，为开发高导热镁合金提供了微观组织调控新策略。

　　

镁合金因其轻量化特性在汽车和电子散热领域备受关注，但低强度、差塑性和有限的热导率严重制约其应用。近年来，通过塑性变形和退火处理调控微观组织成为提升性能的关键手段，其中Mg-Mn基合金因其潜在的高热导率特性成为研究热点。然而，异质结构合金在退火过程中热导率与力学性能的演变机制尚不明确，特别是高温长时退火下纳米相行为对热传输的影响亟待解析。

Chenyue Jiang团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表的研究，通过多尺度表征技术揭示了Mg-1.0Mn-0.5Ce（wt%）合金的退火响应机制。研究采用250°C低温挤压制备异质结构初始样品（平均晶粒尺寸11.9μm），结合OM/EBSD/TEM/XRD分析350-450°C退火过程中组织演变，通过热扩散系数测量和Schmid因子计算建立了微观组织-性能关联模型。

【关键方法】

1. 1.

   异质结构制备：250°C低温挤压（挤压比12:1）获得DRXed/unDRXed混合组织

2. 2.

   退火处理：350-450°C梯度温度与2-600min多时间尺度组合

3. 3.

   微观表征：EBSD分析织构演变，HAADF-STEM定位纳米相分布

4. 4.

   性能测试：室温拉伸评估力学性能，激光闪射法测量热扩散系数

【研究结果】

3.1 初始微观结构

挤压态合金呈现典型的异质结构：细小的动态再结晶（DRXed）等轴晶（~5μm）与含高密度位错的粗大未再结晶（unDRXed）晶粒共存，形成强{0001}基面织构（KAM值0.715°），纳米级Mg₁₂Ce和α-Mn相均匀分布。

3.2 退火过程中晶粒结构演变

350°C退火需120min才能实现完全再结晶，而450°C仅需5min。晶粒尺寸随退火时间延长而增大（350°C退火60min后从11.9μm增至9.5μm；450°C退火60min后达13.6μm），KAM值显著降低表明位错密度下降。

3.3 织构演变机制

退火过程中形成RE组分织构（<0001>//ED），其强度随温度升高而增强。TEM证实纳米相诱导的粒子激发形核（PSN）是织构随机化的主因：位错在Mg₁₂Ce/α-Mn相周围聚集促进再结晶晶核形成。

3.4 力学性能变化

退火后抗拉强度下降（从~300MPa降至~200MPa），但延伸率提升30%-50%。EBSD分析表明RE织构使基面滑移Schmid因子从0.143增至0.25，显著改善塑性。

3.5 热导率调控机制

热导率呈现时间正相关（350°C退火60min后从121.7增至128.2 W/(m·K)）但温度负相关（450°C退火后仅为61-97.2 W/(m·K)）。SEM显示高温退火导致纳米相溶解，溶质原子对声子散射的负面影响超越晶粒粗化的积极作用。

【结论与意义】

该研究首次阐明Mg-Mn-Ce合金中退火参数-组织-热导率的定量关系：

1. 1.

   低温退火（350°C）通过平衡SRX程度和纳米相稳定性，可实现强度（~250MPa）与热导率（>125 W/(m·K)）协同优化；

2. 2.

   纳米相诱导的PSN机制是调控RE织构的关键，为高塑性镁合金设计提供新思路；

3. 3.

   揭示溶质原子散射对热导率的决定性影响，突破传统"晶粒粗化必提升热导率"的认知局限。

这项工作为开发新一代高热导率结构一体化镁合金奠定了理论基础，其提出的"纳米相稳定性调控"策略可拓展至其他镁合金体系，在新能源汽车散热组件等领域具有重要应用前景。