高导热多组元镁合金固溶体的设计方法及镁合金

本发明涉及一种材料设计方法，更具体的是涉及高导热镁合金固溶体的设计方法及镁合金固溶体。背景技术：1、镁合金在汽车、3c电子等行业有着广泛的应用，随着行业的飞速发展，要求零部件在具有卓越的力学性能的同时要兼顾散热能力，因此对零部件的导热性能有了更高的要求。合金化是提升镁合金强度的主要方式，合金化后，合金的微观组织主要包括基体(固溶体)和第二相，一部分合金元素以固溶原子形式存在于基体中，剩余的合金元素以第二相形式存在。如现有技术(metallurgical and materials transactions a,2022,53:2730–2742；metallurgical and materials transactions a,2019,50:5969–5976；及metallurgical and materials transactions a,2016,50:4104–4115)所述，基体一般占整个微观组织超过80％，因此，合金的强度主要由基体决定。然而，强度和导热性能通常是矛盾的，合金化之后，固溶原子和第二相都会恶化镁合金的导热系数。但相比于第二相，固溶原子才是影响合金导热系数的核心因素，据参考文献(journal of alloys andcompounds,2018,747:431-437)报道，含等量合金元素的固溶体和第二相，固溶原子对合金热导率的影响是第二相对热导率的影响的十倍。2、其主要原因是，相比纯金属，合金元素是一种杂质，会引起镁晶格畸变，成为电子和声子运输的散射源，降低电子和声子平均自由程，从而降低导热系数。然而，固溶原子对镁晶格引起的畸变要比第二相引起的晶格畸变大的多。固溶原子会扰乱整个镁基体中晶格的周期性排列，而第二相仅仅扰乱第二相与基体界面处的晶格周期性(materials scienceand engineering a,2022,861:144336)。所以，目前行业内普遍认为，增加固溶原子含量，必然引起导热系数降低，从而总结出开发高导热镁合金思路主要是避免基体中存在固溶原子，尽可能将固溶原子析出，转变为第二相，以减少基体中固溶原子浓度。但这种方法容易导致基体强度低，最终合金整体强度弱。因此，在保证合金基体强度的同时，还能兼顾优良的导热系数，是本发明要解决的方向。3、基于此背景，本发明提出了一种增加固溶原子含量，也可以提升热导率的设计方法。该方法在于在含有单一固溶元素的固溶体中，增加适量的第二固溶元素。两类固溶原子需要满足：它们之间的电负性差大于它们单独与mg原子的电负性差；它们的原子半径不能都大于或者小于mg原子半径；固溶体制备过程的凝固速率要大于400k/s。此设计方法的提出，为高导热镁合金的体系丰富以及性能提升提供了更广阔的空间与更大的可能。技术实现思路1、鉴于此，本发明提供一种高导热多组元镁合金固溶体的设计方法及镁合金固溶体。此设计方法的提出，为高导热镁合金的体系丰富以及性能提升提供了更广阔的空间与更大的可能。2、本发明提供的技术方案如下：3、<第一方面>4、一种高导热多组元镁合金固溶体的设计方法，所述方法包括如下步骤：5、s1、选择镁作为基体元素；6、s2、选择金属元素a，元素a在镁基体中有一定的固溶度；选择金属元素b，元素b在镁基体中有一定的固溶度；7、s3、确认选择金属元素a和金属元素b的含量：元素b在镁基体中的原子百分比at.％和元素a在镁基体中的原子百分比at.％的比值记为e；若e≤4，则金属元素a和金属元素b的含量合格；若e＞4，则金属元素a和金属元素b的含量不合格，需重新确定含量；8、确定金属元素a与金属元素b的电负性；金属元素a与mg原子的电负性差的绝对值记为y1，金属元素b与mg原子的电负性差的绝对值记为y2；金属元素b与金属元素a的电负性差的绝对值记为y3；y3大于y1以及y2，若满足，金属元素a和金属元素b合格；若不满足，金属元素a和金属元素b不合格；9、确定金属元素a与金属元素b的原子半径；判断金属元素a与金属元素b的原子半径是否都大于或者都小于mg原子的半径；若否，则金属元素a与金属元素b合格；若是，则金属元素a与金属元素b不合格。10、s1中，元素a在镁基体中固溶度极限≥1at.％；元素b在镁基体中固溶度极限≥1at.％。11、<第二方面>12、本发明还提供一种镁合金固溶体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：13、1)、采用权利要求1或2所述的高导热多组元镁合金固溶体的设计方法确认金属元素a及其含量；以及金属元素b及其含量；14、2)、按照化学计量比称取原料；在镁基体中加入元素a，熔融，制得mg-a合金熔体；15、3)、向mg-a合金熔体中加入元素b，熔融，制得mg-a-b合金熔体；16、4)、将mg-a-b合金熔体以一定的凝固速率凝固，冷却至环境温度；获得所述镁合金固溶体。17、步骤2)中，熔融条件为：温度700-800℃，时间60-100min。18、步骤2)中，熔融在保护气氛下进行；所述保护气氛包括sf6和co2。19、步骤3)中，熔融条件为：温度700-800℃，时间10-30min。20、步骤4)中，凝固速率400-800k/s。本发明的第六步和第七步，控制合金以400-800k/s的凝固速度凝固，是为了保证合金元素尽可能以溶质原子形式存在，避免合金元素完全以第二相形式析出。21、所述元素a选自gd或al；所述元素b选自al、zn、gd；所述元素a和b不相同。22、所述的制备方法制备得到的镁合金固溶体也属于本发明的保护范围。23、所述镁合金固溶体包括mg-4gd-2al固溶体或mg-2gd-1zn固溶体。24、作为本发明的一个实施方式，本发明提供了一种高导热多组元镁合金固溶体的设计方法，包括以下步骤：25、第一步：选择镁作为基体元素；26、第二步：选择金属元素a，并确定其含量，金属元素a在镁基体中固溶度极限≥1at.％，选择金属元素b，并确定其含量，金属元素b在镁基体中固溶度极限≥1at.％；27、第三步：金属元素b在镁基体中的原子百分比at.％和金属元素a在镁基体中的原子百分比at.％的比值记为e，若e≤4，则金属元素a和金属元素b的含量合格；若e＞4，则金属元素a和金属元素b的含量不合格，需重新确定含量(e＞4，会造成b元素过量，过量的b就没有a与之偏聚，会形成额外的晶格畸变，热导率反而下降)；28、确定金属元素a与金属元素b的原子电负性；金属元素a与mg原子的电负性差的绝对值记为y1，金属元素b与mg原子的电负性差的绝对值记为y2；金属元素b与金属元素a的电负性差的绝对值记为y3；y3大于y1以及y2；若满足，金属元素a和金属元素b合格；若不满足，金属元素a和金属元素b不合格则金属元素不合格(金属元素b与金属元素a之间的电负性差的绝对值要求大于它们分别与mg原子的电负性差的绝对值，是为了使金属元素b与金属元素a偏聚)；29、确定金属元素a与金属元素b的原子半径；判断金属元素a与金属元素b的原子半径是否都大于或者都小于mg原子的半径；若否，则金属元素a与金属元素b合格；若是，则金属元素a与金属元素b不合格。元素b与a的原子半径不得都大于或者小于mg原子的半径，是为了两种元素偏聚时减弱晶格畸变。30、本发明的有益效果在于：31、1、本发明采用向含有单一固溶元素的二元镁基体中添加特定筛选的满足一定原子尺寸、电负性、比例的其它固溶元素，形成多组元固溶交互作用，既能保证固溶体维持高热导率，又能解决固溶体导热和强度的矛盾问题，实现高导热和高强度的兼得；两种固溶元素存在于基体中，还有助于维持基体的固溶强化效果，保证基体强度。32、2、两种固溶元素偏聚会减弱单一固溶元素引起的晶格畸变，从而提高电子和声子的平均自由程，有助于提高固溶体热导率；因此，本发明研究发现，元素b在镁基体中的原子百分比at.％和元素a在镁基体中的原子百分比at.％的比值记为e，e需要≤4；如果e＞4，会造成b元素过量，过量的b就没有a与之偏聚，会形成额外的晶格畸变，热导率反而下降；为了使b与a偏聚，元素b与元素a之间的电负性差的绝对值需要大于它们分别与mg原子的电负性差的绝对值；为了两种元素偏聚时减弱晶格畸变，元素b与a的原子半径不得都大于或者小于mg原子的半径。33、3、本发明为开发高导热镁合金提供了宝贵的设计思路，为高导热镁合金的体系丰富和性能提升更广阔的空间与更大的可能。34、4、该方法镁合金固溶体(第一固溶元素的基础上)添加第二固溶元素，要求单一固溶元素与第二固溶元素之间的电负性差要求大于它们分别与mg原子的电负性差；单一固溶元素与第二固溶元素的原子半径不得都大于或者小于mg原子的半径；固溶体制备过程的凝固速率要大于400k/s。