中仿JMatPro 助力重庆大学双级时效突破铸造Mg-Zn合金强度-导热率权衡
2026-06-18 15:15:07
镁合金凭借低密度、高比强度和良好导热能力，已成为3C电子、高集成度功率器件壳体、轻量化散热结构等领域的重 要候选材料。随着5G通信、移动终端和高功率芯片持续向小型化、集成化发展，外部结构件不再只是承载和防护部件，还需要同步承担快速散热任务。然而，镁合金长期面临“强度提升依赖合金化、合金化又削弱导热率”的内在矛盾：固溶原子造成晶格畸变和载流子散射，虽然能够提高强度，却显著降低热传输效率；粗大共晶相虽可降低基体固溶度，但易诱发早期开裂，难以满足高可靠结构件需求。针对高导热铸造镁合金强度-导热率难以兼顾的行业痛点，重庆大学国家镁合金工程技术研究中心、明月湖实验室、兰溪镁材料研究院等科研团队以稀 Mg-4Zn-0.1Zr-0.05Sr 合金（ZKJ400）为对象，依托JMatPro软件开展CALPHAD热力学/动力学计算，识别MgZn₂析出转变鼻尖温度，并据此设计“低温预时效+中温峰时效”的双级时效工艺。研究通过XRD、TEM、拉伸、显微硬度和激光导热测试系统揭示了析出相、基体固溶度、力学强化与热传输之间的关联机制，构建了“CALPHAD辅助工艺设计+双级时效精准调控+强度/导热协同验证”的高性能镁合金开发路径 ， 相关研究成果于2026年以题为“CALPHAD-informed design of double-stage aging for overcoming the strength-thermal conductivity trade-off in cast Mg-Zn alloy”发表在《Scripta Materialia》期刊 。传统高强镁合金通常依赖固溶强化、细晶强化和析出强化等机制提升承载能力。其中，固溶强化对导热率损伤最为明显，原因在于溶质原子尺寸、电价和键合特征差异会引起晶格畸变，增强电子和声子散射。对于需要同时满足结构强度和散热能力的电子器件壳体而言，单纯提高Zn、Al、稀土等合金元素含量往往会造成导热性能下降，导致材料难以覆盖高端轻量化散热构件的性能窗口。时效强化为破解该矛盾提供了更可控的思路：一方面，细小弥散析出相能够钉扎位错并提升强度；另一方面，析出过程会消耗基体中的固溶原子，降低晶格畸变和载流子散射，从而提升导热率。问题在于，常规T6单级时效参数多依赖经验选择，难以同时控制成核密度、析出体积分数和析出相尺寸。若温度过高，析出动力学虽快，但基体溶解度高、析出不充分；若温度过低，热力学驱动力强，但原子扩散受限，同样难以获得理想析出组织。因此，必须引入计算辅助方法，为时效温度和时效路径选择提供定量依据。研究合金为ZKJ400铸造镁合金，实测成分为Zn 4.08 wt.%、Zr 0.13 wt.%、Sr 0.07 wt.%、Mg余量，密度为1.798 g/cm³。试样先在400 ℃固溶处理8 h，以获得过饱和固溶体，为后续时效析出提供驱动力。科研团队采用JMatPro的TTT/CCT模块开展CALPHAD计算，重点分析T4处理后MgZn₂和Mg₁₇Sr₂相在连续冷却和等温时效过程中的析出行为。CCT计算显示，即使固溶后冷却速率降低至1000 ℃/h，转变曲线仍不会与冷却曲线相交；本研究采用水淬，冷速远高于该阈值，可有效抑制淬火过程中的析出，保留充足的过饱和固溶度。TTT计算进一步显示，MgZn₂析出转变鼻尖温度位于约200 ℃附近。基于“鼻尖温度附近析出动力学快、低于鼻尖温度更利于降低基体固溶度”的判断，研究选择200 ℃、175 ℃和150 ℃作为后续时效温度。图1 CALPHAD指导ZKJ400合金时效工艺设计：CCT曲线、TTT曲线及不同双级时效硬化响应双级时效路线为：T4处理后的ZKJ400合金先在75 ℃预时效24 h（PA-75），随后分别在150 ℃、175 ℃和200 ℃进行峰时效，对应记为DA-150、DA-175和DA-200。低温预时效阶段具有较高析出热力学驱动力，可形成高密度G.P.区；这些预析出结构在后续中温时效中充当异质形核位置，促进Mg-Zn系析出相细化、增密和充分析出。为形成对照，研究同时引入前期单级200 ℃时效样品（SA-200）。表征方面，研究采用XRD分析相组成和α-Mg衍射峰偏移，利用TEM/STEM-HAADF、EDS和HRTEM观察析出相形貌、取向和分布；力学性能通过万能试验机开展室温拉伸测试，导热性能通过激光导热仪测试，显微硬度取多点平均值以保证数据可靠性。该设计可同时回答两个关键问题：双级时效能否强化ZKJ400合金，以及析出强化是否会以降低基体固溶度的方式同步提升导热率。时效硬化曲线表明，DA-150、DA-175和DA-200合金峰值硬度分别达到73.4 HV、76.0 HV和75.3 HV，均表现出明显时效响应。其中DA-175峰值硬度最高，说明175 ℃兼顾了足够的原子扩散能力和较强的析出热力学驱动力；DA-200虽然处于MgZn₂转变鼻尖温度附近，动力学更快，但较高温度下基体固溶度增加，限制了析出充分性；DA-150则因扩散不足导致析出程度受限。拉伸结果显示，DA-175合金获得最佳强度组合：屈服强度148 MPa、抗拉强度269 MPa、导热率141.2 W·m⁻¹·K⁻¹。DA-200合金屈服强度135 MPa、抗拉强度267 MPa、延伸率18.7%，同样表现出良好强塑性。与SA-200相比，双级时效样品强度显著提高，而延伸率基本保持稳定，说明预时效引入的G.P.区和后续高密度细小析出相能够在不明显牺牲塑性的情况下增强Orowan强化效应。图2 ZKJ400合金在不同单级/双级时效条件下的拉伸、加工硬化、导热率和热扩散率对比导热率测试显示，SA-200合金导热率为133.0 W·m⁻¹·K⁻¹，而双级时效处理后导热率整体提升，其中DA-175达到141.2 W·m⁻¹·K⁻¹，表现出最优强度-导热率协同。该结果说明，双级时效不仅能够通过析出相强化材料，还能通过消耗基体固溶Zn原子降低晶格畸变，使热传输通道更加顺畅。XRD结果进一步印证了这一判断。除α-Mg基体外，样品中还存在T4处理后残留的Mg₇Zn₃和Mg₁₇Sr₂共晶相；不同状态下α-Mg（10-11）衍射峰相对纯Mg均发生右移，但DA-175样品峰位偏移最小，表明其基体晶格畸变最低。对于镁合金导热而言，基体中固溶原子造成的散射远强于弥散析出相，因此DA-175通过最大化析出、最低化基体固溶度，实现了导热率提升。图3 不同时效状态ZKJ400合金的XRD物相识别与α-Mg晶格畸变分析TEM结果显示，双级时效显著提高了析出相数量密度并细化析出尺寸，尤其DA-175样品中析出相分布最为细密。HRTEM和FFT分析表明，主要强化相为棒状β′₁析出相，其长轴平行于α-Mg基体[0001]方向。该类细小弥散析出相能够有效阻碍基面 位错滑移，提高加工硬化率和屈服强度；同时，大量Zn原子从基体转入析出相，使基体固溶度降低，减少电子/声子散射。从强化机制看，时效后ZKJ400合金的强度主要由晶界强化、固溶强化和析出强化共同贡献。由于低温时效对晶粒尺寸影响有限，而Zn固溶强化贡献相对有限，DA-175样品强度提升主要来自更高数量密度、更细尺寸β′₁析出相带来的Orowan强化。从导热机制看，DA-175样品通过最大化析出降低了基体晶格畸变，因此在提高强度的同时提高导热率，突破了传统“合金化越高、导热率越低”的经验限制。图4 不同时效状态ZKJ400合金中析出相的TEM/STEM形貌、元素分布和晶体学识别与已报道铸造Mg-Zn及其他高导热镁合金相比，本研究DA-175样品以4 wt.%左右Zn含量获得了接近1 wt.% Zn合金的导热率水平，同时保持269 MPa抗拉强度。性能对标结果显示，DA-175和DA-200样品均突破了铸造镁合金强度-导热率协同边界，为高集成电子设备散热壳体、轻量化热管理部件和薄壁压铸镁合金结构件提供了更具工程吸引力的材料方案。该研究的关键价值不只在于获得单一高性能数据，而在于给出了可迁移的材料设计范式：先利用CALPHAD确定析出相转变窗口，再通过预时效调控早期成核密度，最后以中温峰时效实现析出体积分数、析出尺寸和基体固溶度的协同优化。这一路径可推广至其他Mg-Zn系、Mg-Sn系及多元高导热镁合金，为产业端缩短热处理参数开发周期、减少试错试验、建立可计算的工艺窗口提供支撑。图5 ZKJ400合金导热-强度性能对标及“析出强化+基体贫溶质化”协同机制示意本研究面向高导热铸造镁合金强度和热导率难以兼顾的行业难题，提出CALPHAD指导的双级时效设计方法。JMatPro计算明确了ZKJ400合金固溶后淬火可保留过饱和固溶体，并识别MgZn₂析出转变鼻尖温度约为200 ℃，从而为150~200 ℃后续时效温度选择提供依据。研究结果表明，75 ℃预时效24 h结合175 ℃峰时效的DA-175工艺最优，可获得导热率141.2 W·m⁻¹·K⁻¹、屈服强度148 MPa、抗拉强度269 MPa的综合性能。其核心机制在于高密度细小β′₁析出相一方面通过Orowan机制强化合金，另一方面通过消耗基体固溶Zn降低晶格畸变，使热传输效率提升。该成果说明，镁合金性能提升不必局限于提高合金化程度，而可通过精细热处理使合金元素从“散射源”转化为“强化源”。对于3C电子壳体、轻量化散热构件、高功率器件外壳等应用场景，CALPHAD结合双级时效可作为高导热镁合金工艺开发的重要工具。后续产业化推进中，可进一步结合压铸/砂型铸造冷却条件、复杂构件壁厚差异和批量热处理稳定性，建立面向实际生产线的时效窗口与质量控制标准。[1] Qi Shang, Hao Lv, Jun Tan, et al. CALPHAD-informed design of double-stage aging for overcoming the strength-thermal conductivity trade-off in cast Mg-Zn alloy[J]. Scripta Materialia, 2026, 283: 117420.JMatPro软件包含一系列宽范围的合金类型，目前可以计算的合金类型包含铝合金、镁合金、铸铁、不锈钢、高中低合金钢、钴合金、镍基合金、镍铁基合金、镍基单晶超合金、钛合金、锆合金、焊料合金（锡焊）、铜合金。- 辅助科研人员进行材料加工工艺设计（如铸造、锻造、挤压等）；
- 预测材料材料各种性能，从而可以大量节省项目时间与实验费用（尤其是高温性能）；
- 能为许多材料成型 CAE 软件提供材料性能参数（如：Procast、Magma、Deform、TherCast、Novacast等）；
- 能够为其他CAE软件提供材料性能参数（如Sysweld、Abaqus、Ansys、MSC/Marc等）；
- 提供API接口，利用程序语言调用软件完成计算，方便将软件计算功能与其他软件、应用进行整合；
- 提供MPO材料优化设计，通过多目标优化算法，快速优化获得满足设计要求的材料成分。
材料仿真工具（MatSimKit）是中仿面向金属材料领域用户推出的系列工具软件。软件以国际知名的金属材料热力学与性能计算软件JMatPro为核心，通过集成化手段，提供从材料相图分析、性能高通量预测，到铸造、成型、热处理、增材制造等工艺环节集成仿真的多种实用软件工具。软件面向高通量参数空间与自动化材料计算，提供高效、便捷、可定制、可扩展的材料性能批量计算、数据处理与分析优化功能。材料计算数据管理与后处理软件 MatSimKit-DM软件用于对材料计算结果与实验数据进行统一管理、验证与后处理，支持结果对比、二次计算及高质量可视化输出。材料智能设计反演软件 MatSimKit-Design软件能够基于材料计算与数据分析结果，提供参数推荐、敏感性分析及多方案对比的设计辅助与决策支持，提高材料设计过程的效率与可靠性。材料计算流程集成软件 MatSimKit-Flow软件是一款材料集成管理与自动化计算服务平台，软件面向铸造、成型、热处理等多种工业仿真软件提供材料数据支持，实现流程级调用与组合。中仿是中国领先的仿真分析软件和系统解决方案提供者。公司依靠自主创新研发拥有自主知识产权的中仿CAE系列产品，同时与国内外最优秀的数值仿真技术研究机构和企业保持长期而紧密的合作关系，能够为中国企业和科研机构提供 世界一流的仿真技术解决方案。公司自主研发的 MatSimKit 系列软件，面向金属材料领域用户，以国际知名热力学计算软件JMatPro为核心，提供从高通量材料性能计算、数据管理分析到AI辅助设计的完整解决方案，服务铸造、热处理、热加工、焊接及增材制造等多个工业应用场景。公司坚持自主创新，持续提升核心竞争力，积累了深厚的创新研发能力，并形成了完备的服务体系。公司秉持让材料计算服务实际制造的理念，持续深耕材料仿真与工业软件领域，推动材料计算技术的工程化应用落地。
