本文關鍵詞：Mg-Al-Ca-Mn合金的顯微組織、腐蝕性能及高溫氧化行為研究

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【摘要】：鎂及其合金具有一系列優(yōu)異的性能,是工程應用中最輕的金屬結構材料,在汽車、航空航天、3C電子產品等行業(yè)具有較廣的應用前景。然而其應用潛力與現(xiàn)實之間存在著很大差距,究其原因在于鎂合金較差的耐腐蝕和阻燃性能,限制了鎂合金工業(yè)化應用進程。因此,改善和提高鎂合金耐腐蝕和阻燃性能,對擴展其工業(yè)化應用領域具有重要意義。本文以第二相的調控為基本思路,采用半連續(xù)鑄造、合金化和熱變形的方法,并借助于金相觀察、掃描電鏡及能譜分析、X-射線衍射分析、電化學分析等手段,較系統(tǒng)地研究了鑄態(tài)和擠壓態(tài)Mg-xAl-xCa-0.6Mn合金的微觀組織、耐腐蝕性能和阻燃性能,闡明了Ca、Al復合添加量及熱擠壓對合金顯微組織及耐蝕性的影響規(guī)律和機理,探討了含Ca鎂合金的高溫氧化和阻燃機理。主要研究結果如下：(1)分析了半連續(xù)鑄造Mg-xAl-xCa-0.6Mn合金的組織特征,研究了Ca、Al元素添加量和熱擠壓對合金顯微組織的影響規(guī)律。結果表明：半連續(xù)鑄造Mg-xAl-xCa-0.6Mn合金組織由粗大的α-Mg樹枝晶、細小層片狀α-Mg/Mg2C a和少量粗大條狀α-Mg/(Mg, Al)2Ca共晶體組成。Ca、Al元素能有效地細化合金晶粒,隨著Ca、A1元素含量的增加,合金的晶粒尺寸逐漸減小,共晶體數(shù)量增多且厚度增大,第二相對基體的分割作用增強。熱擠壓后,半連續(xù)鑄造組織中的粗大樹枝晶轉變?yōu)榈容S晶,合金晶粒尺寸明顯細化,網(wǎng)狀共晶組織在三向應力作用下被破碎成微米甚至納米級顆粒,沿著擠壓方向呈條帶狀分布。隨著擠壓比的增大,合金晶粒組織進一步細化,網(wǎng)狀共晶體破碎更為充分,第二相條帶之間的橫向距離減小。(2)研究了Ca、Al元素添加量及熱擠壓對Mg-xAl-xCa-0.6Mn合金耐蝕性的影響,分析了不同條件下合金的腐蝕形貌、腐蝕產物特征及腐蝕機理,并從晶粒尺寸、第二相特征和腐蝕產物膜等方面揭示了合金耐蝕性與顯微組織之間的內在聯(lián)系。結果表明：Mg-xAl-xCa-0.6Mn合金在NaCl介質中以晶間腐蝕為主；隨著Ca、Al含量的增加,半連續(xù)鑄造合金的自腐蝕電位提升,失重腐蝕速率和自腐蝕電流密度降低,耐蝕性增強,擠壓態(tài)合金的耐蝕性則呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。熱擠壓后,合金的失重腐蝕速率減小,自腐蝕電流密度降低,耐蝕性提高。晶粒細化所導致的基體特別是晶界處耐蝕性的提高,以及晶粒細化后所形成的相對穩(wěn)定和致密的腐蝕產物膜是熱擠壓后合金耐蝕性能提高的主要原因。尺寸較小、數(shù)量較多的第二相增加了電偶腐蝕效應,同時較散亂分布的第二相條帶對腐蝕的屏障作用減弱,使合金的耐蝕性隨擠壓比的增大而減弱。(3)研究了Ca元素含量對Mg-xAl-xCa-0.6M n合金起燃溫度和氧化行為的影響,從高溫氧化膜的形貌、物相及元素分布等層面對熔體表面氧化膜的結構進行了分析,結合相關熱力學計算,探討了Mg-xAl-xCa-0.6Mn合金的高溫氧化和阻燃機理,并建立了簡易的高溫氧化模型。結果表明：Ca元素的添加能有效改善Mg-Al-Ca-Mn合金熔體表面氧化膜的質量,顯著提高Mg-Al-Ca-M n合金的阻燃性能。隨著Ca含量的增加,合金起燃溫度升高：當Ca含量為5.5%時,合金起燃溫度高達1071℃。Mg-AI-Ca-Mn合金的高溫氧化膜具有三層復合結構,由表及里依次為CaO膜、MgO·CaO復合膜和Mg2Ca第二相顆粒。Mg-Al-Ca-Mn合金的高溫氧化過程可以分為三個階段：Ca與O2優(yōu)先反應生成疏松的CaO氧化膜,同時內層聚集少量的微米或納米級Mg2Ca顆粒；隨著反應的持續(xù),Ca的活度降低,Mg與02反應生成MgO,兩種氧化物互相填充結合,形成CaO·MgO復合保護膜；隨著溫度的升高,蒸氣壓不斷增大,氧化膜局部破裂,導致局部氧化甚至燃燒,并進而擴展至整個試樣。
【關鍵詞】：Mg-Al-Ca-Mn鎂合金 熱擠壓 第二相 腐蝕性能 阻燃性能
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG146.22
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 緒論12-28
• 1.1 前言12-13
• 1.2 鎂合金性質及應用13-14
• 1.2.1 鎂合金性質13
• 1.2.2 鎂合金應用13-14
• 1.3 鎂合金腐蝕14-23
• 1.3.1 鎂合金腐蝕行為14-15
• 1.3.2 鎂合金腐蝕形態(tài)15-19
• 1.3.3 鎂合金腐蝕影響因素19-20
• 1.3.4 提高合金耐蝕性的途徑20-23
• 1.4 鎂合金的氧化與阻燃23-26
• 1.4.1 鎂合金的氧化23-24
• 1.4.2 鎂合金高溫氧化影響因素24-25
• 1.4.3 鎂合金合金化阻燃25-26
• 1.5 本文研究目的及研究內容26-28
• 1.5.1 研究目的26
• 1.5.2 研究內容26-28
• 第2章 實驗過程及研究方法28-34
• 2.1 工藝流程28
• 2.2 合金制備28-31
• 2.2.1 成分設計28-29
• 2.2.2 合金熔煉29-30
• 2.2.3 半連續(xù)鑄造30
• 2.2.4 熱擠壓變形30-31
• 2.3 成分及組織分析31
• 2.3.1 成分分析31
• 2.3.2 光學顯微觀察31
• 2.3.3 XRD物相分析31
• 2.3.4 掃描電鏡觀察31
• 2.4 耐蝕性能分析31-32
• 2.4.1 浸泡腐蝕實驗31-32
• 2.4.2 電化學腐蝕實驗32
• 2.5 阻燃性能分析32-34
• 第3章 Mg-xAl-xCa-0.6Mn合金的顯微組織34-47
• 3.1 引言34
• 3.2 半連續(xù)鑄錠組織分析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 合金組織特征分析36-37
• 3.3 Ca、Al添加量對合金組織的影響37-38
• 3.4 熱擠壓對合金組織的影響38-41
• 3.5 分析與討論41-45
• 3.5.1 鑄造方式對合金組織的影響41-43
• 3.5.2 Ca、Al元素對合金組織的影響43
• 3.5.3 熱擠壓對合金組織的影響43-45
• 3.6 本章小結45-47
• 第4章 Mg-xAl-xCa-0.6Mn合金的腐蝕行為研究47-67
• 4.1 引言47
• 4.2 Ca、Al元素添加量對合金耐蝕性的影響47-54
• 4.2.1 腐蝕速率47-48
• 4.2.2 極化曲線48-49
• 4.2.3 腐蝕形貌49-50
• 4.2.4 腐蝕產物50-51
• 4.2.5 分析與討論51-54
• 4.3 熱擠壓對合金耐蝕性的影響54-65
• 4.3.1 腐蝕速率54-56
• 4.3.2 極化曲線56-58
• 4.3.3 腐蝕形貌58-60
• 4.3.4 腐蝕產物60-61
• 4.3.5 分析與討論61-65
• 4.4 本章小結65-67
• 第5章 Mg-Al-Ca-Mn合金的高溫氧化機理研究67-81
• 5.1 引言67
• 5.2 Mg-Al-Ca-Mn合金氧化現(xiàn)象67-68
• 5.3 Mg-Al-Ca-Mn合金起燃溫度68-69
• 5.4 高溫氧化膜結構分析69-75
• 5.4.1 高溫氧化膜試樣的制備69-70
• 5.4.2 高溫氧化膜形貌特征70-72
• 5.4.3 高溫氧化膜XRD分析72
• 5.4.4 高溫氧化膜EDS分析72-75
• 5.5 高溫氧化熱力學分析75-77
• 5.6 高溫氧化與阻燃機理分析77-78
• 5.7 高溫氧化模型78-79
• 5.8 本章小結79-81
• 結論81-82
• 參考文獻82-90
• 致謝90-91
• 附錄A 攻讀工程碩士學位期間發(fā)表的論文91

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本文編號：1071491