几种镁合金与铝合金熔体的除氢工艺研究

摘要

镁合金被公认为是轻量化的新型金属结构材料。但是，镁合金的大规模应用还存在许多基础科学问题尚待解决。其中，氧对镁合金性能的影响近年引起人们的重视。本文通过光学显微镜、液态测氢、固态测氢、XRD、SEM、EDS、拉伸试验、腐蚀试验等手段，在研究熔炼工艺对镁合金含氢量影响以及镁合金凝固过程氢析出行为的基础上，详细考察了除气剂（包括C2Cl6和RJ-2熔剂）、超声波以及浮游气体等除氢方法，对熔体中的含氢量、合金致密度、室温与高温力学性能以及耐蚀性等影响规律，并与铝合金进行了对比研究，旨在为镁合金熔体净化和性能提高提供基础。
　　研究表明:熔炼温度与保温时间对熔体含氢量有较明显影响。对Mg-6.04Zn-0.62Y合金，减压试验表明，降低熔炼温度和缩短熔体保温时间，可降低熔体含氢量，提高合金致密度，且熔炼温度影响更大。镁合金铸锭的不同部位疏松程度不同，随凝固先后次序而逐渐加重，同一断面处从中心到边缘疏松程度逐渐降低。与铝合金相比，AZ91合金的疏松程度比2024合金严重得多，但却比5083合金轻得多。
　　考察了除气剂对镁合金和铝合金除氧效果的影响。表明C2Cl6处理镁合金和铝合金均有很好的除氢效果，对镁合金有明显的细化作用，并可显著提高材料力学性能。对Mg-6.04Zn-0.62Y和AZ91合金熔体，其最高除气率可分别达到52.7％和41.8％，此时，AZ91合金最低含氢量为11.3cm3/100g，其室温拉伸力学性能为Rm=208MPa，R0.2=137MPa，A=5.3％，抗拉强度和屈服强度分别比未除氢时分别提高32.5％和7.9％;对Al-3Mg二元合金和2024合金，其最高除气率可分别达到47.6％和44.8％，此时熔体含氢量分别达到0.163cm3/100g和0.096cm3/100g。其中，2024合金铸锭的室温拉伸力学性能为Rm=288MPa，R0.2=198MPa，A=4.7％，抗拉强度和屈服强度比未除氢时分别提高27.4％和11.2％;就添加量而言，处理镁合金比铝合金所需C2Cl6添加量要大一些。镁合金R J-2熔剂对熔体具有除氢作用，但效果较差。其对AZ91合金熔体的最好除气率为29.4％，但对室温拉伸性能仍然有较大影响，这可能与熔剂的除杂净化效果有关。AZ91合金处理后的抗拉强度和屈服强度比未除氢时分别提高26.8％和7.9％。
　　研究了超声波对镁合金和铝合金除氢效果的影响。结果表明，超声处理镁合金和铝合金比C2Cl6处理具有更好的除氢效果，并有明显的组织细化效果。对Mg-3.03Ca、Mg-6.04Zn-1.17Ca和AZ91合金，超声处理的最高除气率可分别达53.8％、67.5％和50.5％，其中，AZ91合金的最低含氢量为9.6cm3/100g，其铸锭的室温拉伸力学性能为Rm=194MPa，R0.2=133MPa，A=4.8％。抗拉强度和屈服强度比未除氢时分别提高27.6％和6.4％;对2024合金的最高除气率可达51.1％，含氢量达到0.085cm3/100g，此时其铸锭的室温拉伸力学性能为Rm=288MPa，R0.2=190MPa，A=4.9％，抗拉强度和屈服强度比未除氢时分别提高27.4％和6.7％。采用添加C2Cl6后再进行超声处理的C2Cl6-超声波联合处理方法，可大幅度缩短超声处理所需时间，显著提高超声处理效率。
　　采用浮游气体（氩气）除氢在AZ91合金中比在5083和2024等铝合金中有更好的效果，最高除气率为50.7％，含氧量可达7.3cm3/100g。此时其铸锭的室温拉伸力学性能为Rm=200MPa，R0.2=128MPa，A=5.2％，抗拉强度和屈服强度比未除氢时分别提高24.2％和5.8％;但在非金属夹杂物含量较大的AZ91合金废料中，效果减弱。
　　在C2Cl6、RJ-2熔剂、超声处理和氩气除氢四种方法中，AZ91合金氩气除氢效果最好，而2024合金C2Cl6-超声波联合处理和超声除氢的含氢量最低。
　　降低镁合金和铝合金的含氢量可显著提高合金铸态的室温力学性能。对于AZ91合金，当含氢量小于11cm3/100g左右时，进一步降低含氢量，对力学性能的影响很小;对于2024合金，室温拉伸性能随含氢量降低持续升高，只是在含氢量小于0.12cm3/100g左右时，屈服强度随含氢量的降低升高不显著。
　　对镁合金进行除氢处理可显著降低合金铸锭的平均腐蚀速率，但对合金的自腐蚀电位(Ecorr)影响不大。全浸腐蚀试验结果表明，氯气除氧后AZ91合金铸锭平均腐蚀速率降低了39.5％。
　　镁合金和铝合金的致密度对其高温力学性能均有明显的影响。对于AZ91合金，致密度对材料抗拉强度和屈服强度的影响随温度升高而逐渐减小，而对伸长率的影响正好相反;对于5083合金，致密度对材料强度的影响规律和程度与AZ91合金相似，但提高致密度导致的伸长率提高程度要显著得多且与温度关系不大。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 镁合金和铝合金概述

1．2 国内外镁合金和铝合金测氢方法研究状况

1．2．1 镁合金和铝合金熔体吸氢的热力学

1．2．2 镁合金和铝合金熔体吸氢的动力学

1．2．3 镁合金和铝合金熔体含氢量的影响因素

1．2．4 镁合金和铝合金熔体含氢量的检测方法

1．3 国内外镁合金和铝合金除氢方法研究状况

1．3．1 吸附净化法

1．3．2 非吸附净化法

1．3．3 复合净化法

1．4 本文研究的目的和主要内容

第2章 实验设备和测试方法

2．1 实验材料

2．2 熔炼与工具

2．3 除氢设备与除气剂

2．3．1 超声除氢

2．3．2 氩气除氢装置

2．3．3 除气剂

2．4 测氢方法与设备

2．4．1 减压凝固法测氢

2．4．2 液态测氢

2．4．3 固态测氢

2．4．4 试样密度测定

2．5 除氢工艺流程

2．6 分析测试方法

2．6．1 金相观察

2．6．2 拉伸试验

2．6．3 固态测氢试验

2．6．4 耐蚀性试验

第3章 熔炼工艺对熔体含氢量与气孔的影响

3．1 熔炼工艺对Mg-6．04Zn-0．62Y合金含氢量的影响

3．1．1 熔炼温度对Mg-6．04Zn-0．62Y合金含氢量的影响

3．1．2 保温时间对Mg-6．04Zn-0．62Y合金含氢量的影响

3．2 镁合金和铝合金镑锭内气孔分布

3．2．1 AZ91合金铸锭纵断面气孔分布

3．2．2 5083合金铸锭纵断面气孔分布

3．2．3 2024合金铸锭纵断面气孔分布

3．2．4 镁合金和铝合金铸锭横断面气孔分布

3．2．5 镁合金与铝合金凝固过程的氢析出行为对比

3．3 本章小结

第4章 熔体的除气剂除氢研究

4．1 镁合金熔体的除气剂除氢

4．1．1 Mg-6．04Zn-0．62Y合金的C2Cl6除氢

4．1．2 AZ91合金C2Cl6除氢及其对力学性能的影响

4．1．3 AZ91合金RJ-2熔剂除氢及其对力学性能的影响

4．2 铝合金熔体的C2Cl6除氢

4．2．1 Al-3Mg合金C2Cl6除氢

4．2．2 2024合金C2Cl6除氢及其对力学性能的影响

4．3 本章小结

第5章 熔体的超声除氢研究

5．1 镁合金熔体的超声除氢

5．1．1 Mg-3．03Ca合金熔体的超声除氢

5．1．2 Mg-6．04Zn-1．1 -7Ca合金熔体的超声除氢

5．1．3 AZ91合金超声除氢及其对力学性能的影响

5．2 铝合金熔体的超声除氢

5．2．1 超声功率对铝合金熔体除氢的影响

5．2．2 超声处理时间和合金成分对二元铝合金熔体除氢的影响

5．2．3 超声处理温度对2024合金熔体除氢的影响

5．2．4 2024合金超声除氢及其对力学性能的影响

5．3 超声谐振对镁合金和铝合金熔体除氢的影响

5．3．1 超声谐振对AZ91合金含氢量和力学性能的影响

5．3．2 超声谐振对二元铝合金除氢的影响

5．3．3 超声谐振对2024合金含氢量和力学性能的影响

5．3．4 超声谐振除氢机理分析

5．4 本章小结

第6章 铝熔体的C2Cl6-超声波联合除氢研究

6．1 合金熔体的C2Cl6-超声波联合除氢

6．1．1 C2Cl6-超声波联合处理对合金含氢量的影响

6．1．2 四种铝合金不同除氢方法除气率比较

6．1．3 C2Cl6-超声波联合处理对2024合金力学性能的影响

6．2 合金熔体的C2Cl6-超声波联合除氢机理分析

6．3 本章小结

第7章 熔体的浮游气体除氢研究

7．1 镁合金和铝合金熔体的氩气除氢及其对力学性能的影响

7．2 镁合金和铝合金氩气除氢的热力学和动力学机理分析

7．2．1 氩气除氢对镁合金和铝合金的热力学机理分析

7．2．2 氩气除氢对镁合金和铝合金的动力学机理分析

7．3 氩气除氢对AZ91合金耐蚀性的影响

7．4 AZ91合金废料氩气除氢及其对力学性能的影响

7．5 AZ91合金废料氩气除氢机理分析

7．6 本章小结

第8章 合金除氢对比和致密度对合金高温力学性能的影响

8．1 镁合金与铝合金不同除氢工艺比较

8．1．1 AZ91合金不同除氢工艺比较

8．1．2 2024合金不同除氢工艺比较

8．2 含氢量对镁合金和铝合金力学性能的影响

8．2．1 含氢量对AZ91合金力学性能的影响

8．2．2 含氢量对2024合金力学性能的影响

8．2．3 含氢量对AZ91合金和2024合金力学性能的比较

8．3 镁合金与铝合金的气孔形成机理分析

8．4 致密度对镁合金和铝合金高温拉伸性能的影响

8．4．1 密度测定

8．4．2 致密度对AZ91合金高温拉伸性能的影响

8．4．3 致密度对5083合金高温拉伸性能的影响

8．5 本章小结

第9章 结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间所做的工作

作者简介