铝基合金相变储热材料成分优化研究

发布时间：2019-09-27 15:47

【摘要】：针对目前铝基合金相变储热材料中尚存在的熔化-凝固多次热循环后储热性能减弱、部分合金高温抗氧化性差等一系列制约其进一步应用和发展的问题,本文以研究相对成熟的Al-Si二元合金为基础,进一步探索其热物性变化规律(存在争议),并在性能较优的Al-Si合金基础上添加一定量的Cu及混合稀土元素以实现进一步的合金化。结合DTA热物性测试试验、热循环试验、恒温氧化及循环氧化试验、金相组织观察试验、XRD物相分析和EDS分析试验探索各元素对合金储热性能影响的规律及机理,优化合金元素添加量,为铝基合金相变储热材料成分优化研究提供更多的试验及理论依据。对于Al-Si二元合金,在本文试验条件下,使用石墨模具浇注时,其单位质量熔化潜热值的变化规律为:当合金成分为亚共晶/共晶合金时,其近似表达式为Y1=13.14x+372.05(4 ≤ x ≤ 12.6);当合金成分为过共晶合金时,其近似表达式为Y2 =-4.72x +599.01(12.6x《20),两表达式预测精度均较高。共晶合金熔化潜热值大于过/亚共晶合金,在被测Al-Si二元合金中,Al-12Si合金具有最高的储热量。造成本文及各文献间关于Al-Si 二元合金相变潜热变化趋势得出相反结论的原因可能是:测量次数过少,数据随机性较大;测量对象分别为熔化潜热和凝固潜热,二者变化规律不同;合金中存在不同的过热度等熔制历史。对于Al-12Si-XCu(0《X《15)合金,随着Cu质量分数的增大:无论是恒温氧化还是循环氧化,在试验期间内其高温氧化增重均呈现出递减的趋势,恒温氧化时氧化膜阻滞保护作用明显,而循环氧化时,除Al-12Si-10Cu外,其它合金由于氧化膜的间断性失效,其膜层保护性欠佳;循环前合金的单位质量熔化潜热值逐渐降低,相变温度区间逐渐增加(主体相变峰温度区间逐渐减小),质量密度线性递增,单位体积熔化潜热由于受到双重因素影响而导致其规律性不佳;循环100次后合金的单位质量熔化潜热呈现出不同的变化趋势,Al-12Si和Al-12Si-5Cu出现下降,Al-12Si-10Cu和Al-12Si-15Cu则出现上升,但相变温度区间基本呈减小趋势,质量密度稍有降低但其线性规律不变,单位体积熔化潜热值呈现出递增趋势;Al-12Si-XCu合金的热循环稳定性均较好,但综合来看,Al-12Si-10Cu合金表现最优。合金组织结构的变化以及长期高温循环状态下的氧化造成的成分渐变是造成热循环前后各Al-12Si-XCu合金熔化潜热及相变温度发生不同程度变化的主要原因。对于Al-12Si-XRE(0《X《0.5)合金,随着RE元素质量分数的增大,由于整体熵增减小及熔点略有下降(△H = △S·Te),其单位质量熔化潜热值呈现出递减的趋势,但DTA峰型几乎不变。由于RE元素的选择性优先氧化,细化晶粒带来的快速扩散通道数量增加和膜层塑韧性的提高以及其对基体/膜层界面处空位缺陷生成的抑制作用,适量RE元素的添加能提高Al-12Si合金的高温抗氧化性(但随着RE元素含量的变化其并不呈现出单调的变化趋势)。在RE元素添加量为0.1wt%时,合金高温抗氧化性最好,且对基体合金单位质量熔化潜热值和熔化温度区间的影响最小。
【学位授予单位】：中国石油大学(华东)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.21

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