Mg-Al-Ca-Mn合金的显微组织、腐蚀性能及高温氧化行为研究

发布时间：2017-10-21 05:16

  本文关键词：Mg-Al-Ca-Mn合金的显微组织、腐蚀性能及高温氧化行为研究

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【摘要】：镁及其合金具有一系列优异的性能,是工程应用中最轻的金属结构材料,在汽车、航空航天、3C电子产品等行业具有较广的应用前景。然而其应用潜力与现实之间存在着很大差距,究其原因在于镁合金较差的耐腐蚀和阻燃性能,限制了镁合金工业化应用进程。因此,改善和提高镁合金耐腐蚀和阻燃性能,对扩展其工业化应用领域具有重要意义。本文以第二相的调控为基本思路,采用半连续铸造、合金化和热变形的方法,并借助于金相观察、扫描电镜及能谱分析、X-射线衍射分析、电化学分析等手段,较系统地研究了铸态和挤压态Mg-xAl-xCa-0.6Mn合金的微观组织、耐腐蚀性能和阻燃性能,阐明了Ca、Al复合添加量及热挤压对合金显微组织及耐蚀性的影响规律和机理,探讨了含Ca镁合金的高温氧化和阻燃机理。主要研究结果如下：(1)分析了半连续铸造Mg-xAl-xCa-0.6Mn合金的组织特征,研究了Ca、Al元素添加量和热挤压对合金显微组织的影响规律。结果表明：半连续铸造Mg-xAl-xCa-0.6Mn合金组织由粗大的α-Mg树枝晶、细小层片状α-Mg/Mg2C a和少量粗大条状α-Mg/(Mg, Al)2Ca共晶体组成。Ca、Al元素能有效地细化合金晶粒,随着Ca、A1元素含量的增加,合金的晶粒尺寸逐渐减小,共晶体数量增多且厚度增大,第二相对基体的分割作用增强。热挤压后,半连续铸造组织中的粗大树枝晶转变为等轴晶,合金晶粒尺寸明显细化,网状共晶组织在三向应力作用下被破碎成微米甚至纳米级颗粒,沿着挤压方向呈条带状分布。随着挤压比的增大,合金晶粒组织进一步细化,网状共晶体破碎更为充分,第二相条带之间的横向距离减小。(2)研究了Ca、Al元素添加量及热挤压对Mg-xAl-xCa-0.6Mn合金耐蚀性的影响,分析了不同条件下合金的腐蚀形貌、腐蚀产物特征及腐蚀机理,并从晶粒尺寸、第二相特征和腐蚀产物膜等方面揭示了合金耐蚀性与显微组织之间的内在联系。结果表明：Mg-xAl-xCa-0.6Mn合金在NaCl介质中以晶间腐蚀为主；随着Ca、Al含量的增加,半连续铸造合金的自腐蚀电位提升,失重腐蚀速率和自腐蚀电流密度降低,耐蚀性增强,挤压态合金的耐蚀性则呈现先增加后降低的趋势。热挤压后,合金的失重腐蚀速率减小,自腐蚀电流密度降低,耐蚀性提高。晶粒细化所导致的基体特别是晶界处耐蚀性的提高,以及晶粒细化后所形成的相对稳定和致密的腐蚀产物膜是热挤压后合金耐蚀性能提高的主要原因。尺寸较小、数量较多的第二相增加了电偶腐蚀效应,同时较散乱分布的第二相条带对腐蚀的屏障作用减弱,使合金的耐蚀性随挤压比的增大而减弱。(3)研究了Ca元素含量对Mg-xAl-xCa-0.6M n合金起燃温度和氧化行为的影响,从高温氧化膜的形貌、物相及元素分布等层面对熔体表面氧化膜的结构进行了分析,结合相关热力学计算,探讨了Mg-xAl-xCa-0.6Mn合金的高温氧化和阻燃机理,并建立了简易的高温氧化模型。结果表明：Ca元素的添加能有效改善Mg-Al-Ca-Mn合金熔体表面氧化膜的质量,显著提高Mg-Al-Ca-M n合金的阻燃性能。随着Ca含量的增加,合金起燃温度升高：当Ca含量为5.5%时,合金起燃温度高达1071℃。Mg-AI-Ca-Mn合金的高温氧化膜具有三层复合结构,由表及里依次为CaO膜、MgO·CaO复合膜和Mg2Ca第二相颗粒。Mg-Al-Ca-Mn合金的高温氧化过程可以分为三个阶段：Ca与O2优先反应生成疏松的CaO氧化膜,同时内层聚集少量的微米或纳米级Mg2Ca颗粒；随着反应的持续,Ca的活度降低,Mg与02反应生成MgO,两种氧化物互相填充结合,形成CaO·MgO复合保护膜；随着温度的升高,蒸气压不断增大,氧化膜局部破裂,导致局部氧化甚至燃烧,并进而扩展至整个试样。
【关键词】：Mg-Al-Ca-Mn镁合金 热挤压 第二相 腐蚀性能 阻燃性能
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.22
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-28
• 1.1 前言12-13
• 1.2 镁合金性质及应用13-14
• 1.2.1 镁合金性质13
• 1.2.2 镁合金应用13-14
• 1.3 镁合金腐蚀14-23
• 1.3.1 镁合金腐蚀行为14-15
• 1.3.2 镁合金腐蚀形态15-19
• 1.3.3 镁合金腐蚀影响因素19-20
• 1.3.4 提高合金耐蚀性的途径20-23
• 1.4 镁合金的氧化与阻燃23-26
• 1.4.1 镁合金的氧化23-24
• 1.4.2 镁合金高温氧化影响因素24-25
• 1.4.3 镁合金合金化阻燃25-26
• 1.5 本文研究目的及研究内容26-28
• 1.5.1 研究目的26
• 1.5.2 研究内容26-28
• 第2章 实验过程及研究方法28-34
• 2.1 工艺流程28
• 2.2 合金制备28-31
• 2.2.1 成分设计28-29
• 2.2.2 合金熔炼29-30
• 2.2.3 半连续铸造30
• 2.2.4 热挤压变形30-31
• 2.3 成分及组织分析31
• 2.3.1 成分分析31
• 2.3.2 光学显微观察31
• 2.3.3 XRD物相分析31
• 2.3.4 扫描电镜观察31
• 2.4 耐蚀性能分析31-32
• 2.4.1 浸泡腐蚀实验31-32
• 2.4.2 电化学腐蚀实验32
• 2.5 阻燃性能分析32-34
• 第3章 Mg-xAl-xCa-0.6Mn合金的显微组织34-47
• 3.1 引言34
• 3.2 半连续铸锭组织分析34-37
• 3.2.1 合金成分分析34
• 3.2.2 合金物相分析34-36
• 3.2.3 合金组织特征分析36-37
• 3.3 Ca、Al添加量对合金组织的影响37-38
• 3.4 热挤压对合金组织的影响38-41
• 3.5 分析与讨论41-45
• 3.5.1 铸造方式对合金组织的影响41-43
• 3.5.2 Ca、Al元素对合金组织的影响43
• 3.5.3 热挤压对合金组织的影响43-45
• 3.6 本章小结45-47
• 第4章 Mg-xAl-xCa-0.6Mn合金的腐蚀行为研究47-67
• 4.1 引言47
• 4.2 Ca、Al元素添加量对合金耐蚀性的影响47-54
• 4.2.1 腐蚀速率47-48
• 4.2.2 极化曲线48-49
• 4.2.3 腐蚀形貌49-50
• 4.2.4 腐蚀产物50-51
• 4.2.5 分析与讨论51-54
• 4.3 热挤压对合金耐蚀性的影响54-65
• 4.3.1 腐蚀速率54-56
• 4.3.2 极化曲线56-58
• 4.3.3 腐蚀形貌58-60
• 4.3.4 腐蚀产物60-61
• 4.3.5 分析与讨论61-65
• 4.4 本章小结65-67
• 第5章 Mg-Al-Ca-Mn合金的高温氧化机理研究67-81
• 5.1 引言67
• 5.2 Mg-Al-Ca-Mn合金氧化现象67-68
• 5.3 Mg-Al-Ca-Mn合金起燃温度68-69
• 5.4 高温氧化膜结构分析69-75
• 5.4.1 高温氧化膜试样的制备69-70
• 5.4.2 高温氧化膜形貌特征70-72
• 5.4.3 高温氧化膜XRD分析72
• 5.4.4 高温氧化膜EDS分析72-75
• 5.5 高温氧化热力学分析75-77
• 5.6 高温氧化与阻燃机理分析77-78
• 5.7 高温氧化模型78-79
• 5.8 本章小结79-81
• 结论81-82
• 参考文献82-90
• 致谢90-91
• 附录A 攻读工程硕士学位期间发表的论文91

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1 付世伟;Al、Ca添加对Mg-Al-Ca-Mn合金组织和力学性能的影响[D];重庆大学;2015年

2 张晓东;低成本超高强Mg-Al-Ca-Mn合金显微组织及力学性能研究[D];哈尔滨工业大学;2016年

3 张孟军;Mg-Al-Ca-Mn合金的显微组织、腐蚀性能及高温氧化行为研究[D];湖南大学;2016年

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本文编号：1071491