添加Ca对氮气喷射沉积镁合金阻燃机理研究

摘要

喷射沉积是制备高性能镁合金的有效方法,采用氮气作为雾化气体具有很高的性价比优势。但一定温度下镁会与氮气发生反应,导致镁燃烧甚至爆炸,存在危险,因此需要深入研究氮气喷射沉积过程中的阻燃机理。本文采用添加Ca合金化的方法,从两方面研究Mg-5Ca合金在氮气喷射沉积过程中的阻燃机理:一是针对喷射雾化阶段氮化膜的形成、生长规律以及结构,采用SEM、EDS、XRD等手段对表面膜的形貌及组成进行研究,探讨表面膜的结构在中断氮气输送中的作用;二是针对喷射沉积雾化阶段氮气和雾化液滴之间的生成热和热传递,采用常规数学模型模拟雾化气体与液滴之间的传热情况,研究喷射沉积过程中快速散热机理。研究结果如下:
　　 1.Mg-5Ca合金不同气氛下表面膜结构研究表明,Mg-5Ca合金在普通工业氮气(99.5％)下740℃保温2h冷却后生成一层平整连续的表面膜,其表层由CaO、MgO和Mg3N2、Ca3N2组成,里层由CaO和MgO共同组成,比较致密。高纯氮气(99.995%)下合金表面形成一层很薄的Mg3N2和Ca3N2,由不规则颗粒密排堆积而成,不能完全覆盖表面。在大气中合金表面形成表层由CaO组成、里层由MgO-CaO组成的呈菜花状的厚层膜,开裂变形非常严重。
　　 2.根据理论分析模拟计算了喷射沉积过程中雾化气体的速度、传热系数、液滴速度、液滴温度等参量的变化过程以及传热情况,确定了Mg-5Ca合金喷射沉积雾化阶段气体带走热量的最小值。当雾化气体速度与液滴速度相等时,氮气和镁合金之间的传热系数最小,此时气体带走的热量最少。
　　 3.添加Ca对氮气喷射沉积镁合金的阻燃机理分析表明,一方面,添加Ca元素后在Mg-5Ca合金表面形成了氮化物与氧化物共同组成的双层复合膜,填补了单一膜中的疏松和孔洞,中断了氮气向基体的输送。另一方面,在喷射沉积雾化阶段,液滴散热的最小速率远远大于镁合金反应放出热量的最大速率,两者之间相差3个数量级,避免了热量的蓄积,达到了阻燃效果,从而保障了氮气喷射沉积制备镁合金过程中的生产安全。