ZK60镁合金氢气下球磨的氢化反应和组织演变研究

摘要

镁合金是现有金属结构材料中密度最小的轻质结构材料。与其它金属结构材料相比,镁合金具有比强度高、比刚度大、阻尼性能好,电磁屏蔽性能好等一系列优点,在航空航天、汽车、电子、通讯等重要领域都有及其重要的应用价值与广阔的应用前景。ZK60(Mg-Zn-Zr系)镁合金是高强度镁合金系中性能最优的一种合金。但是由于镁合金具有密排六方(HCP)晶体结构,对称性低,滑移系少,塑性变形能力与加工能力差,其应用受到很大的限制。众所周知,细化晶粒是改善镁合金加工性能,提高塑性的一种重要方法。目前细化镁合金晶粒的方法主要有铸造过程中进行变质处理、半固态成形或挤压铸造、剧烈塑性变形等方法。但是这些方法最低只能将镁合金的晶粒细化到0.5～1μm左右,很难细化到纳米级大小。HDDR(氢化-歧化-脱氢-再结合)工艺是一种制备超细晶稀土永磁粉末材料的氢处理新技术。由于镁与氢气反应可以生成氢化镁,并且该反应可逆,因此可以应用HDDR工艺来处理镁合金达到细化晶粒的目的。但是常规方法生成氢化镁的反应需要在高温和高压力下进行,实验要求较高。用高能球磨法产生的机械能可以替代热能成为镁与氢气反应的驱动力,促使反应进行。因而可以将氢化反应与机械球磨法相结合,在室温下得到晶粒为纳米级的氢化镁粉末。本文研究的是ZK60镁合金在氢气下球磨的氢化机理和组织结构演变情况。研究了氢气压力、球料比和球磨转速对ZK60镁合金吸氢动力学的影响,通过XRD、SEM和TEM实验分析球磨过程中材料的组织结构演变规律。通过实验表明,常温时在0.5MPa氢气压力,球料比60:1,球磨转速为375r/min条件下球磨ZK60镁合金粉体颗粒,球磨20小时可以使ZK60镁合金粉末完全氢化。而且通过一系列的对比实验显示,球磨过程中氢气压力越高、球料比越大、球磨转速越快,生成氢化镁速率越快。当ZK60镁合金完全氢化以后,可以得到晶粒大小约为10～20nm纳米晶的氢化镁粉末。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 概述

1.1.1 镁合金的分类

1.1.2 ZK60 镁合金历史及组织结构分析

1.1.3 ZK60 的力学性能研究

1.2 国内外文献晶粒细化方法综述

1.2.1 铸造过程中添加晶粒细化剂

1.2.2 半固态成形或挤压铸造细化晶粒

1.2.3 利用粉末冶金—塑性变形结合工艺制备超细晶金属材料

1.2.4 采用剧烈塑性变形(SPD)制备超细晶金属材料

1.2.5 采用对镁合金氢处理制备超细晶材料的研究

1.3 本文的提出及研究思路

1.4 主要研究的内容

第2章 实验材料、设备与方法

2.1 引言

2.2 实验材料

2.3 主要实验设备

2.4 实验内容

2.5 实验流程和方法

2.5.1 实验流程图

2.5.2 材料吸氢率计算方法

2.5.3 吸氢动力学实验

2.5.4 氢化态ZK60 镁合金脱氢实验

2.5.5 组织结构和微观形貌实验

第3章 ZK60 镁合金机械球磨氢化工艺研究

3.1 引言

3.2 机械球磨过程作用与控制

3.3 吸氢反应物理模型

3.4 氩气和氢气对ZK60 镁合金球磨组织影响

3.4.1 实验步骤

3.4.2 实验结果

3.5 氢气压力对ZK60 镁合金吸氢速率的影响

3.5.1 实验步骤

3.5.2 实验结果与讨论

3.6 球料比对ZK60 镁合金吸氢速率的影响

3.6.1 实验步骤

3.6.2 实验结果与讨论

3.7 球磨转速对ZK60 镁合金吸氢速率的影响

3.7.1 实验步骤

3.7.2 实验结果与讨论

3.8 氢化态ZK60 镁合金脱氢处理初步研究

3.8.1 实验步骤

3.8.2 实验结果与初步讨论

3.9 本章小结

第4章 ZK60 镁合金机械球磨过程的组织结构演变

4.1 引言

4.2 实验步骤

4.3 X 射线衍射(XRD)研究

4.3.1 氩气下球磨粉末的XRD 研究

4.3.2 氢气下球磨粉末的XRD 研究

4.3.3 晶粒尺寸分析

4.4 球磨粉末的形貌观察

4.4.1 充氩气球磨ZK60 镁合金粉末形貌观察

4.4.2 充氢气球磨ZK60 镁合金粉末形貌观察

4.5 透射电镜(TEM)观察

4.5.1 部分氢化粉末的TEM 观察

4.5.2 完全氢化粉末的TEM 观察

4.5.3 脱氢状态粉末的TEM 观察

4.6 本章小结

结论

参考文献

致谢