鎂合金導(dǎo)熱性能研究進(jìn)展

游國強(qiáng)，白世磊，明　玥，馬小黎

(1. 重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400045; 2.重慶大學(xué) 國家鎂合金材料工程技術(shù)研究中心，重慶 400044)

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鎂合金導(dǎo)熱性能研究進(jìn)展

游國強(qiáng)1,2，白世磊1，明玥1，馬小黎1

(1. 重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400045; 2.重慶大學(xué) 國家鎂合金材料工程技術(shù)研究中心，重慶 400044)

綜述了近年來國內(nèi)外針對鎂合金導(dǎo)熱性能的研究進(jìn)展，在分析鎂合金導(dǎo)熱機(jī)理的基礎(chǔ)上，重點總結(jié)分析了溫度、合金元素及成分、擠壓變形和熱處理工藝對鎂合金導(dǎo)熱性能的影響。綜述主要結(jié)論為：(1) 鎂合金導(dǎo)熱是電子和聲子運動共同作用的結(jié)果，各工藝因素主要通過改變微觀組織，從而影響電子和聲子的運動方式對鎂合金導(dǎo)熱性能產(chǎn)生影響；(2) 除某些合金在接近絕對零度時熱導(dǎo)率隨溫度升高“先升-后降-再升”外，鎂合金熱導(dǎo)率隨溫度升高主要是呈增加趨勢的；(3) 除適量添加某些合金元素外，大多數(shù)合金元素的加入均會導(dǎo)致鎂合金熱導(dǎo)率降低；(4) 擠壓變形使鎂合金導(dǎo)熱率下降，且使熱導(dǎo)率呈現(xiàn)各向異性；(5) 固溶熱處理使鎂合金熱導(dǎo)率下降，但固溶+時效熱處理可使熱導(dǎo)率增加。

鎂合金；導(dǎo)熱性能；機(jī)理；影響因素；綜述

0　引　言

當(dāng)前，3C產(chǎn)品、通訊電子、航空航天領(lǐng)域均面臨著日益增加的輕量化壓力，同時，一些零部件對材料的導(dǎo)熱性能往往有較高的要求(尤其是散熱器件)，以保證和提高產(chǎn)品的壽命及工作穩(wěn)定性[1-3]。鎂的密度為1.74g/cm3，約為鋁的2/3、鐵的1/4，室溫時熱導(dǎo)率為156W/(m·K)，在常見商用金屬材料中僅次于銅和鋁，比熱導(dǎo)率(即單位質(zhì)量的熱導(dǎo)率)與鋁相當(dāng)[4-5]；然而純鎂的力學(xué)性能不足，難以直接作結(jié)構(gòu)材料用，一般需合金化后使用。經(jīng)合金化后，絕大多數(shù)鎂合金力學(xué)性能顯著提升，但其導(dǎo)熱性能卻明顯降低，如常用鑄造鎂合金AZ91D，鑄態(tài)下屈服強(qiáng)度150MPa(鑄鎂約為21MPa左右)，但熱導(dǎo)率僅為51.2W/(m·K)(僅為純鎂的1/3左右)[6]。這一矛盾嚴(yán)重阻礙了鎂合金在有力學(xué)-導(dǎo)熱雙重性能需求的工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

本文在分析合金導(dǎo)熱機(jī)理的基礎(chǔ)上，綜述了當(dāng)前國內(nèi)外對于鎂合金導(dǎo)熱性能的相關(guān)研究進(jìn)展，重點分析了溫度、合金元素及成分、擠壓變形和熱處理工藝對鎂合金導(dǎo)熱性能的影響，以期為研究并開發(fā)具有工程應(yīng)用價值的高導(dǎo)熱鎂合金提供參考和資料借鑒。

1　鎂合金的導(dǎo)熱性能

1.1鎂合金的導(dǎo)熱機(jī)理

與其它合金一樣，鎂合金導(dǎo)熱主要有自由電子運動和晶格振動兩種方式，即電子導(dǎo)熱和聲子導(dǎo)熱，由此產(chǎn)生的熱導(dǎo)率分別稱為電子熱導(dǎo)率和聲子熱導(dǎo)率。

電子熱導(dǎo)率λe的數(shù)學(xué)模型為[7-8]

(1)

式(1)中，λA和λB分別是成分A和B的熱導(dǎo)率，x是B元素所占的原子分?jǐn)?shù)，k′是與合金系、溫度及Lorentz數(shù)有關(guān)的系數(shù)。

聲子導(dǎo)熱是通過晶格振動的格波實現(xiàn)的，聲子熱導(dǎo)率λl由式(2)計算

(2)

式(2)中，λ為鎂合金的總熱導(dǎo)率，λe為電子導(dǎo)熱率。

KlemensP等研究認(rèn)為電子導(dǎo)熱在鎂合金的導(dǎo)熱中占主導(dǎo)地位[9]。ARudajevová等的結(jié)果也顯示，在Mg-Sc合金中，相對于電子導(dǎo)熱而言，聲子熱導(dǎo)對合金導(dǎo)熱率的貢獻(xiàn)很小[10]。

1.2常見鎂合金的導(dǎo)熱性能

1.2.1Mg-Al系合金

Mg-Al系合金擁有良好的鑄造性能，目前廣泛用于鑄造合金，也部分用于變形合金，針對其導(dǎo)熱性能的研究相對較多。常見Mg-Al系合金的熱導(dǎo)率如表1所示，其基本規(guī)律是：相同狀態(tài)下，隨著Al元素含量的增高，合金熱導(dǎo)率呈降低趨勢，同時，固溶處理(T4)使Mg-Al系合金熱導(dǎo)率有所降低，而固溶后再做時效處理(T6)則有利于提高合金熱導(dǎo)率的提高。

1.2.2Mg-Zn系合金

Mg-Zn系主要用于變形鎂合金，常見Mg-Zn系合金的熱導(dǎo)率如表1所示。與Mg-Al系合金相似，Mg-Zn系合金的導(dǎo)熱性能也與合金元素含量、熱處理工藝等因素有關(guān)，且由于Zn對鎂合金熱導(dǎo)率的影響比Al小[11-12]，Mg-Zn系合金的熱導(dǎo)率較Mg-Al系合金高，也是目前重點研究的導(dǎo)熱鎂合金之一。

1.2.3其它鎂合金

目前對于其它系鎂合金導(dǎo)熱性能的研究相對較少，如表1所示。由表1可見，由于合金元素的不同，不同鎂合金的熱導(dǎo)率有較大差異，如：QE22A(Mg-2Ag-2Nd)的室溫?zé)釋?dǎo)率高達(dá)116.5W/(m·K)，而WGZ115(Mg-11Y-5Gd-2Zn-0.5Zr)的室溫?zé)釋?dǎo)率僅為23.0W/(m·K)。

表1　常見商用鎂合金的導(dǎo)熱性能[4,13-19]

2　鎂合金導(dǎo)熱性能的影響因素

鎂合金中的異類原子、內(nèi)部缺陷及微觀組織形貌等都會對電子和聲子的運動產(chǎn)生強(qiáng)烈散射，降低導(dǎo)熱效果[20-22]，故凡是直接或間接影響電子和聲子運動能力的因素都會影響鎂合金的導(dǎo)熱性能，這些因素主要包括溫度、合金元素及成分、擠壓變形和熱處理工藝等。

2.1溫度的影響

與純金屬不同，合金中缺陷熱阻占主導(dǎo)地位，在常用溫度區(qū)間，缺陷熱阻隨溫度升高而降低[6-7,23]，即合金熱導(dǎo)率隨溫度的升高而升高。對于鎂合金，熱導(dǎo)率隨溫度的變化也基本符合該規(guī)律。如：擠壓鑄造AM系合金的熱導(dǎo)率隨溫度的升高逐漸增加，且達(dá)一定溫度后，熱導(dǎo)率的增加速率有所減小，如圖1所示[24]；Lee等[25]研究顯示，在148～673K溫度區(qū)間(即-125～400 ℃)，雙輥鑄軋AZ31和AZ61鎂合金的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而增加。鑄態(tài)Mg-Zn-Mn、Mg-Zn-Y和Mg-Zn-Gd合金的熱導(dǎo)率隨溫度的變化規(guī)律亦是如此[19,26]。

圖1　溫度對擠壓鑄造AM系合金熱導(dǎo)率的影響[24]

Fig1TemperaturedependenceofthethermalconductivityofsqueezecastingAMalloys[24]

他們認(rèn)為，上述現(xiàn)象的機(jī)理，除了缺陷熱阻隨溫度升高而降低外，還可能存在如下兩個方面：(1) 升溫使非平衡組織向平衡組織轉(zhuǎn)變，部分過飽和固溶于鎂基體中的合金元素析出，提高了鎂晶格的規(guī)則程度，熱導(dǎo)率增加；(2) 當(dāng)溫度升高到一定程度，合金元素可能部分固溶進(jìn)鎂基體中，對熱導(dǎo)率增加產(chǎn)生負(fù)面作用，使熱導(dǎo)率的增加速率減小。

在接近絕對零度的低溫區(qū)間，鎂合金熱導(dǎo)率的變化趨勢與常溫區(qū)間有所差異。TaoYing等[27]的研究結(jié)果顯示，Mg-Zn二元合金的低溫?zé)釋?dǎo)率隨溫度變化趨勢如圖2所示：在絕對零度附近，其熱導(dǎo)率隨溫度升高而升高，在某一溫度(一般在20～40K間，與Debye溫度有關(guān))出現(xiàn)峰值，隨后，熱導(dǎo)率增加速率減小甚至為負(fù)，這種趨勢在純鎂中最為明顯，但隨Zn元素含量增加而弱化直至消失；此后，熱導(dǎo)率隨溫度的升高緩慢增加。Mg-Al、Mg-Mn二元合金隨溫度的變化趨勢也是如此[27]。

圖2　溫度對Mg-Zn合金熱導(dǎo)率的影響[27]

Fig2Temperature-dependentthermalconductivityofMg-Znalloys[27]

總之，鎂合金熱導(dǎo)率隨溫度變化的基本規(guī)律是：(1) 在常用溫度區(qū)間，溫度升高，熱導(dǎo)率隨之增加，當(dāng)溫度升高到一定程度后，熱導(dǎo)率的增加速率有所減小；(2) 對于某些合金，在接近絕對零度的溫度區(qū)間，熱導(dǎo)率先隨溫度的升高而升高，在20～40K達(dá)到峰值后迅速減小，其后呈增加的趨勢。

2.2合金元素及成分的影響

合金元素的加入對鎂合金的導(dǎo)熱性能有較大影響。

首先，合金元素的加入主要通過如下三種方式影響鎂合金導(dǎo)熱性能：(1) 合金元素固溶于鎂基體中，降低原子結(jié)構(gòu)的規(guī)則性，使電子和聲子運動更容易被散射，從而合金熱導(dǎo)率降低。Ying等[11-12]對二元Mg-Zn、Mg-Al合金的研究表明，Zn和Al的添加均會固溶于鎂基體中，增大電子和聲子被散射的幾率，使合金熱導(dǎo)率隨合金元素的增加而降低；Rudajevová等[10,24]對AM和MgSc合金的研究也表明，增加的Al和Sc會固溶于鎂基體中，降低鎂晶格的規(guī)則程度，導(dǎo)致合金熱導(dǎo)率降低；(2) 合金元素與Mg形成低熱導(dǎo)率的金屬間化合物，熱導(dǎo)率降低。Rudajevová等[13]研究表明，Si元素添加到AM20合金中，形成了Mg2Si相，導(dǎo)致其室溫?zé)釋?dǎo)率明顯降低；鑄態(tài)Mg-Zn-Sn合金中Sn的添加會形成大量Mg2Sn顆粒，使合金的室溫?zé)釋?dǎo)率下降，高溫下的變化規(guī)律亦是如此[15]；鑄態(tài)Mg-Zn-Mn合金中，MgZn2相隨Zn含量增加而增加，并相互連接，使合金熱導(dǎo)率隨Zn元素的增加而顯著降低[19,28]；Pan等[29]對Mg-Al、Mg-Zn、Mg-Sn、Mg-Zr、Mg-Mn及Mg-Ca等二元鎂合金的研究也表明，Al、Zn、Sn、Zr、Mn及Ca元素的加入均會與Mg形成金屬間化合物，其含量隨合金元素的增加而增加，合金熱導(dǎo)率也隨之降低；Chen[16]和Rzychoń[30]的研究中也證實了上述結(jié)論，他們還發(fā)現(xiàn)，合金元素之間也會形成化合物相而影響合金熱導(dǎo)率。此外，Rudajevová等[17-18]還研究了SiC對鎂合金導(dǎo)熱性能的影響，結(jié)果顯示，向QE22(Mg-2Ag-2Nd)中加入SiC顆粒后，導(dǎo)熱性能明顯降低，這應(yīng)該是SiC與基體形成大量不利于電子和聲子運動的界面所導(dǎo)致的，這與上述反應(yīng)生成的金屬間化合物對熱導(dǎo)率的影響是類似的；(3) 合金元素之間形成金屬間化合物，可提高鎂合金的熱導(dǎo)率。Peng[31]等研究表明，ZM21合金中加入0.2wt%的Ce元素可生成少量Mg-Zn-Ce沉淀相，該過程會消耗鎂基體中的固溶原子Zn和Ce，減少鎂基體因晶格畸變而對電子的聲子運動的散射，從而合金熱導(dǎo)有所提高；然而，Ce含量過高時，依舊會固溶于鎂基體中，對導(dǎo)熱性能不利。

其次，不同合金元素的加入對鎂合金的熱導(dǎo)率影響程度不同。

A.Beck等[32]研究表明，不同合金元素對鎂合金熱導(dǎo)率的影響大小有所不同(如圖3所示)：Cu、Ni、Zn的加入對鎂合金的熱導(dǎo)率影響相對較小，而Al元素的加入會顯著降低鎂合金的熱導(dǎo)率。Pan等[29]對二元鎂合金熱導(dǎo)率的研究表明，合金元素對鎂合金熱導(dǎo)率的影響大小依次為：Zn

圖3　合金元素添加對二元鎂合金熱導(dǎo)率的影響[32]

Fig3Thermalconductivityofbinarymagnesiumalloysasafunctionofalloyingadditives[32]

綜上所述，除適量添加某些元素可使鎂合金熱導(dǎo)率有所提升外，鎂合金中常見的用以提高力學(xué)性能的合金元素往往對導(dǎo)熱性能不利。筆者認(rèn)為，其根源在于二者機(jī)理上的矛盾：向鎂中添加合金元素，固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化(生成彌散分布的高熔點化合物)是其兩大重要的強(qiáng)化機(jī)制[35-37]，這兩種機(jī)制均是通過引入晶體“缺陷”實現(xiàn)的；但對于導(dǎo)熱而言，這些“缺陷”恰恰會使電子和聲子運動產(chǎn)生散射，從而對導(dǎo)熱產(chǎn)生負(fù)面影響。從這個角度而言，在多晶體體系中二者的矛盾很難從根本上調(diào)和。

2.3擠壓變形的影響

研究表明，擠壓變形對鎂合金導(dǎo)熱性能往往有不利影響。

Ying等[11-12]研究表明，擠壓使鑄態(tài)Mg-Al、Mg-Zn二元合金內(nèi)部產(chǎn)生大量缺陷，晶粒明顯細(xì)化，力學(xué)性能提高，但熱導(dǎo)率有所降低，且呈各向異性，在與擠壓平行的方向上熱導(dǎo)率降低程度較大，在與擠壓方向垂直的方向上則降低較少(如圖4所示)。

圖4擠壓對不同Zn含量的Mg-Zn二元合金室溫?zé)釋?dǎo)率的影響[11]

Fig4Thedependenceofroomtemperaturethermalconductivityofas-castandas-extrudedMg-ZnalloyswiththeconcentrationofZn[11]

Yuan等[38]研究表明，ZM51合金擠壓后的熱導(dǎo)率低于其鑄態(tài)合金，且由于形成了沿擠壓方向的纖維結(jié)構(gòu)，該方向晶格密實度增加，熱導(dǎo)率低于其它方向。此外，袁家偉等[28]研究認(rèn)為，除上述影響外，擠壓變形中還存在第二相析出，會消耗固溶體中的合金元素，對合金的熱導(dǎo)率有一定的有利影響，其作用隨合金元素含量的增加而增大。

總之，擠壓變形基本上是使鎂合金導(dǎo)熱性能降低，但沿擠壓方向比垂直于擠壓方向的降低程度更大。上述現(xiàn)象的機(jī)理主要是：擠壓使晶粒細(xì)化，晶界增多，位錯密度增大，形成沿擠壓方向呈帶狀分布的細(xì)小等軸晶[39-41]；該過程產(chǎn)生的大量晶界會成為阻礙電子和聲子運動的散射源，同時大幅度降低鎂晶格的排列規(guī)則性，使電子和聲子的運動在晶界、內(nèi)部缺陷處發(fā)生散射甚至被阻斷，從而對導(dǎo)熱性能有負(fù)面影響。筆者認(rèn)為，與合金化類似，擠壓變形也主要是通過引入晶體“缺陷”(位錯和晶界)的方式實現(xiàn)強(qiáng)化，而這些“缺陷”對電子和聲子運動傳熱卻是不利的，因此擠壓變形對于力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能的影響是矛盾的。

2.4熱處理工藝的影響

熱處理是另一個調(diào)整力學(xué)性能的常用方法，其對鎂合金導(dǎo)熱性能也有影響，且其影響規(guī)律往往與其對力學(xué)性能的影響有一定差異，甚至完全相反。

首先，固溶處理往往會降低合金導(dǎo)熱性能。Rudajevová等[13,24,42]研究表明，鑄態(tài)AM、AZ系鎂合金固溶處理后的熱導(dǎo)率顯著降低，降低量隨Al含量的增加而增加，他們認(rèn)為，固溶處理主要通過使Al原子過固溶于鎂基體而影響鎂合金的熱導(dǎo)率。固溶處理對Mg-Zn-Sn[15]、Mg-Zn-RE[26]和Mg-Zn二元合金[43]的影響規(guī)律也是如此。此外，Pan等[29]研究表明，固溶處理使二元鎂合金熱導(dǎo)率降低，且固溶態(tài)鎂合金熱導(dǎo)率隨合金成分的變化存在一個成分閾值：合金成分低于該值時，熱導(dǎo)率隨合金成分的增加呈線性遞減；高于該值時，鎂固溶體已達(dá)飽和，多余的合金元素以單質(zhì)或化合物的形式析出，合金熱導(dǎo)率不再遞減。

其次，固溶后再做時效處理，可改善鎂合金導(dǎo)熱性能。鑄態(tài)Mg-2.5Nd-1.0Zn-0.5Zr合金經(jīng)固溶處理后再做時效處理，熱導(dǎo)率有所回升，且在一定范圍內(nèi)，熱導(dǎo)率隨時效時間的延長顯著升高[44]。Mendis等[45]研究表明，時效處理可顯著提升擠壓態(tài)Mg-6Zn-1Si-0.5Mn合金的熱導(dǎo)率；Yuan等[46]對鑄態(tài)ZM41合金的研究也表明，經(jīng)時效處理后合金熱導(dǎo)率有所增加；此外，有研究表明，鎂合金經(jīng)均勻化處理和退火處理后的熱導(dǎo)率也會增加[24,29]。

綜上所述，熱處理對鎂合金熱導(dǎo)率的影響趨勢可概括為：能促進(jìn)合金原子固溶的熱處理對熱導(dǎo)率有負(fù)面影響；反之亦反。其機(jī)理應(yīng)該是，前者促進(jìn)固溶體形成，大量合金元素的固溶會導(dǎo)致嚴(yán)重的晶格畸變，降低晶格的規(guī)則程度，增加了電子和聲子的散射幾率，最終降低了導(dǎo)熱性能；后者反之。需要注意的是，固溶處理的本質(zhì)是固溶強(qiáng)化，因此其對合金力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能的影響是矛盾的；但時效處理則對二者的影響是一致的，這與前面提到的彌散強(qiáng)化不同。

3　結(jié)　語

鎂合金導(dǎo)熱是電子和聲子運動共同作用的結(jié)果，晶格畸變、內(nèi)部缺陷和微觀組織形貌等對電子和聲子運動有影響的因素均會影響導(dǎo)熱效果。從宏觀上講，溫度、合金元素及成分、擠壓變形、熱處理工藝對鎂合金的導(dǎo)熱性能有影響，且其影響規(guī)律往往與其對力學(xué)性能的影響有一定差異：

(1)溫度升高會引起缺陷熱阻減小并可能產(chǎn)生一定的時效行為，從而使鎂合金使熱導(dǎo)率逐漸增大；但對于某些成分的合金，在接近絕對零度的溫度區(qū)間，熱導(dǎo)率先隨溫度的升高而升高，在20～40K達(dá)到峰值后迅速減小，其后重回增加的趨勢。

(2)大多數(shù)合金元素的加入會導(dǎo)致鎂合金熱導(dǎo)率降低，且合金元素含量越多，熱導(dǎo)率降低量越大；這主要是由于合金的加入，一方面由于固溶現(xiàn)象使鎂晶格產(chǎn)生畸變，另一方面可能與Mg生成存在于晶界的低熱導(dǎo)率化合物，均不利于電子和聲子導(dǎo)熱。適量添加某些合金元素，可使合金元素之間形成金屬間化合物，消耗了鎂基體中的固溶原子，熱導(dǎo)率略有提升。

(3)擠壓變形使鎂合金導(dǎo)熱率下降，這主要是因為擠壓變形使晶粒細(xì)化，晶界增多，位錯也增多，對電子和聲子導(dǎo)熱不利。

(4)固溶熱處理使合金元素過飽和固溶于鎂基體中，鎂合金熱導(dǎo)率有所下降；但再經(jīng)時效處理，合金元素重新析出，其熱導(dǎo)率又逐漸增加。

總之，在力學(xué)-導(dǎo)熱雙重性能需求的工程應(yīng)用中，需保證二者的平衡。固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化和變形強(qiáng)化是合金力學(xué)性能強(qiáng)化的3種常用方法，但均對鎂合金導(dǎo)熱性能有不利影響；析出強(qiáng)化(時效處理)則能同時提高鎂合金力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能。筆者認(rèn)為，將合金化、變形與熱處理3種手段有機(jī)結(jié)合、加強(qiáng)析出強(qiáng)化效果，是獲得良好力學(xué)-導(dǎo)熱綜合性能的有效方法。

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Researchprogressonthermalconductivityofmagnesiumalloys

YOUGuoqiang1,2,BAIShilei1,MINGYue1,MAXiaoli1

(1.CollegeofMaterialScienceandEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400045,China;2.NationalEngineeringResearchCenterforMagnesiumAlloys,Chongqing400044,China)

Therecentresearchprogressofthermalconductivityofmagnesiumalloywasreviewed.Theeffectsoftemperature,alloyingelements,extrusionandheattreatmentonthermalconductivityofmagnesiumalloywereanalyzedrespectively.Thechiefconclusionsareasfollows: (1)Thermalconductivityofmagnesiumalloyisbasedonthemovementofelectronandphonon.Theprocessingfactorsinfluencethethermalconductivitybychangingthemicrostructureofalloythathasdirecteffectsonthemovementofelectronandphonon; (2)Thermalconductivityofmostmagnesiumalloysincreasewithincreasingtemperature,whilethatofsomemagnesiumalloysincreasefirstly,followedbydecreasingandincreasingagainnearthetemperatureofabsolutezero; (3)Exceptforsomealloyingelements,theadditionofmostalloyingelementshasanegativeeffectonthermalconductivityofmagnesiumalloy; (4)Extrusiondecreasethermalconductivityofmagnesiumalloyandleadtoanisotropyofthermalconductivity; (5)Thermalconductivityofmagnesiumalloydecreaseaftersolutiontreatmentandslightlyincreaseaftersubsequentagingtreatment.

magnesiumalloy;thermalconductivity;mechanism;influencefactors;review

1001-9731(2016)05-05030-06

四川省科技支撐計劃資助項目(2013G20128)；重慶大學(xué)大型儀器設(shè)備開放基金資助項目(201512150010)

2015-07-15

2016-01-10 通訊作者：游國強(qiáng)，E-mail:ygq@cqu.edu.cn

游國強(qiáng)(1978-)，男，四川自貢人，博士，副教授，主要從事輕合金及其成型技術(shù)研究。

TG146.2+2

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.05.006