三種典型鎂合金材料火災(zāi)行為及高溫氧化-氮化研究.pdf

1、鎂合金材料以其優(yōu)秀的力學(xué)性能，較低的密度和相對(duì)低廉的成本目前在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著當(dāng)前航空、汽車等領(lǐng)域?qū)p重的需求急劇增加，鎂合金成為當(dāng)前解決減重問題最好的材料之一。然而，鎂元素金屬活潑性較高，與氧氣、氮?dú)庖约岸趸贾g都很容易發(fā)生反應(yīng)，這導(dǎo)致鎂合金在加工、熔煉以及使用過程中都很容易發(fā)生燃燒，且這大大限制了鎂合金在航空等領(lǐng)域的應(yīng)用。本文針對(duì)三種典型牌號(hào)的鎂合金材料進(jìn)行了高溫氧化/氮化行為研究，并對(duì)其火災(zāi)行為進(jìn)行了分析，旨在為

2、鎂合金的應(yīng)用和研發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。主要的研究工作包括:采用熱重-差熱分析法對(duì)不同升溫速率不同環(huán)境氣氛下鎂合金粉末的氧化/氮化動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析。TG結(jié)果表明三種鎂合金在有氧氣存在的條件下反應(yīng)過程與純鎂類似，可以分為三個(gè)階段。采用等轉(zhuǎn)化率法對(duì)三種鎂合金在空氣氛圍下的活化能進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果顯示鎂合金的活化能要高于純鎂，而ZE10鎂合金活化能要高于另外兩種。在純氮?dú)鈼l件下三種鎂合金的增重過程簡化為一個(gè)增重峰。AZ31鎂合金的氮化峰較為劇烈且

3、增重峰開始的溫度隨升溫速率的增加沒有明顯向高溫區(qū)推遲，而另外兩種鎂合金在純氮?dú)鈼l件下增重過程較AZ31鎂合金明顯緩慢。根據(jù)前人基于TG數(shù)據(jù)對(duì)樣品氧化膜厚度的計(jì)算方法對(duì)三種鎂合金在氮?dú)鈼l件下的活化能進(jìn)行了計(jì)算并分析了其氮化膜的生長過程，結(jié)果表明AZ31鎂合金在整個(gè)氮化過程中氮化膜保持一個(gè)增長和加密的狀態(tài)，而另外兩種鎂合金則與純鎂類似，氮化膜不斷發(fā)生破裂與再生長。氮?dú)鈱?duì)于鎂合金粉末的惰化作用主要體現(xiàn)在延緩了反應(yīng)的起始溫度、降低了首個(gè)劇烈氧化

4、/氮化階段反應(yīng)物質(zhì)量和降低反應(yīng)放熱三個(gè)方面，與前人研究相符。
　　采用錐形量熱儀對(duì)鎂合金的火災(zāi)行為進(jìn)行研究，同時(shí)探究耗氧法對(duì)金屬熱釋放速率測定的準(zhǔn)確性，并利用上一章中熱重實(shí)驗(yàn)的結(jié)果解釋錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)中的一些結(jié)果。三種型號(hào)的鎂合金在常壓下輻射點(diǎn)燃的整個(gè)過程可以分為三個(gè)階段。第一階段為合金上表面以及側(cè)面發(fā)生破裂;第二階段為破裂表面處形成的Mg輸運(yùn)通道將合金內(nèi)部Mg合金基體輸運(yùn)至外部，從而與空氣接觸發(fā)生點(diǎn)燃和劇烈燃燒;第三階段是大量氧化

5、鎂的生成導(dǎo)致整個(gè)鎂合金的外表面變?yōu)槭杷傻谋砻?，燃燒維持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。采用DSC數(shù)據(jù)對(duì)鎂合金的反應(yīng)熱進(jìn)行了校準(zhǔn)，通過計(jì)算可知AZ31鎂合金和WE43鎂合金消耗1kg氧氣釋放的熱值可以直接采用MgO的生成熱來進(jìn)行替換，而ZE10鎂合金則需采用DSC的結(jié)果進(jìn)行替換，其值小于MgO的生成熱得出的值。通過對(duì)錐量實(shí)驗(yàn)中溫升過程的一些假設(shè)，可以將錐量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和TG實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示吻合程度較好，說明兩種實(shí)驗(yàn)方法所得數(shù)據(jù)之間可以在一定程度上

6、相互印證。
　　分析了低氣壓條件對(duì)鎂合金火災(zāi)行為的影響?？偟膩碚f低氣壓會(huì)明顯減少鎂合金材料的點(diǎn)燃時(shí)間并輕微降低燃燒時(shí)的劇烈程度，而點(diǎn)燃溫度隨氣壓的降低有所降低，與前人研究相符。當(dāng)環(huán)境壓力降低時(shí)，鎂合金燃燒時(shí)的質(zhì)量增加速率峰值也隨之下降，且鎂合金質(zhì)量增加速率峰值與壓力呈指數(shù)關(guān)系，WE43鎂合金的指數(shù)系數(shù)最小，約為0.5，另外兩種鎂合金均超過1。驗(yàn)證了前人的k-n經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)鎂合金燃燒過程中質(zhì)量變化的適用性并研究了模型中k系數(shù)隨壓力的變