Mg-Al-Ca-Mn合金的顯微組織、腐蝕性能及高溫氧化行為研究.pdf

1、鎂及其合金具有一系列優(yōu)異的性能，是工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，在汽車、航空航天、3C電子產(chǎn)品等行業(yè)具有較廣的應(yīng)用前景。然而其應(yīng)用潛力與現(xiàn)實(shí)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(yīng)用進(jìn)程。因此，改善和提高鎂合金耐腐蝕和阻燃性能，對擴(kuò)展其工業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。本文以第二相的調(diào)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(xué)分析

2、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(fù)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(jī)理，探討了含Ca鎂合金的高溫氧化和阻燃機(jī)理。主要研究結(jié)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(jié)果表明:半連續(xù)鑄造Mg-xAl-xCa-0.6Mn合金組織由

3、粗大的α-Mg樹枝晶、細(xì)小層片狀α-Mg/Mg2Ca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(xì)化合金晶粒，隨著Ca、Al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(qiáng)。熱擠壓后，半連續(xù)鑄造組織中的粗大樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，合金晶粒尺寸明顯細(xì)化，網(wǎng)狀共晶組織在三向應(yīng)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(jìn)

4、一步細(xì)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(chǎn)物特征及腐蝕機(jī)理，并從晶粒尺寸、第二相特征和腐蝕產(chǎn)物膜等方面揭示了合金耐蝕性與顯微組織之間的內(nèi)在聯(lián)系。結(jié)果表明:Mg-xAl-xCa-0.6Mn合金在NaCl介質(zhì)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

5、升，失重腐蝕速率和自腐蝕電流密度降低，耐蝕性增強(qiáng)，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(xì)化所導(dǎo)致的基體特別是晶界處耐蝕性的提高，以及晶粒細(xì)化后所形成的相對穩(wěn)定和致密的腐蝕產(chǎn)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(yīng)，同時(shí)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)

6、研究了Ca元素含量對Mg-xAl-xCa-0.6Mn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(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，結(jié)合相關(guān)熱力學(xué)計(jì)算，探討了Mg-xAl-xCa-0.6Mn合金的高溫氧化和阻燃機(jī)理，并建立了簡易的高溫氧化模型。結(jié)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(zhì)量，顯著提高M(jìn)g-Al-Ca-Mn合金的阻燃性能。隨著Ca含量的增加，合金起燃溫度升高;當(dāng)Ca

7、含量為5.5％時(shí)，合金起燃溫度高達(dá)1071℃。Mg-Al-Ca-Mn合金的高溫氧化膜具有三層復(fù)合結(jié)構(gòu)，由表及里依次為CaO膜、MgO· CaO復(fù)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(gè)階段:Ca與O2優(yōu)先反應(yīng)生成疏松的CaO氧化膜，同時(shí)內(nèi)層聚集少量的微米或納米級Mg2Ca顆粒;隨著反應(yīng)的持續(xù)，Ca的活度降低，Mg與O2反應(yīng)生成MgO，兩種氧化物互相填充結(jié)合，形成CaO·MgO復(fù)合保護(hù)膜;隨著溫度的