Mg-Al金属间化合物合金化及其应用特性研究

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金属间化合物具有高强度、高硬度、抗腐蚀、耐高温等优异的性能,同时具有特殊的声、光、电学性质,可以被用于结构材料也能被用作功能材料。但是,金属间化合物往往具有室温脆性,这极大的影响着它们的应用。因此,改善室温脆性是拓展金属间化合物使用范围的有效途径。目前国内外有关金属间化合物的研究工作主要集中于铝系和硅系。AZ系镁合金的显微组织中常见的第二相Mg17Al12也是一种铝系化合物,近年来,它们在某些方面的性能也受到关注。一是作为防护涂层的制备方法及其耐蚀性,二是作为储氢合金的吸放氢特性。但Mg-Al金属间化合物的力学特性却较少受到关注。针对这一不足,本文通过合金化方法,研究合金元素对Mg17Al12金属间化合物组织和力学性能的影响,并对其潜在应用进行探索性研究。实验通过添加Er、Y和B,研究合金元素对Mg17Al12金属间化合物显微组织形貌、相组成、硬度、压缩性能、耐腐蚀性能及热稳定性的影响。考虑到Mg17Al12硬度高,但室温脆性大,将其与泡沫Al进行结合,研究Mg17Al12增强泡沫Al的吸能特性。Mg17Al12具有较高的理论储氢量,试验中研究了Y对Mg17Al12金属间化合物储氢性能的影响。研究了Mg-Al-Er涂层对镁合金的防护效果。制备了接近Mg-Mg17Al12共晶组织成分的Mg70Al30合金,并研究了其在酸溶液中的腐蚀行为。最后利用近共晶合金的腐蚀特性成功地制备了具有表面多孔结构的Mg-Al合金。通过研究得到以下主要的结论:(1) Mg-Al-Er合金的显微组织随Er含量的不同而变化。当Er含量低于1.0wt.%时,合金仅由Mg17Al12基体和Al3Er相组成。当Er含量超过3.0wt.%时,基体中除了Al3Er相外还出现了Mg17Al12-Mg共晶组织。和Mg-44.3Al合金(单相Mg17Al12)的硬度相比,含Er合金的硬度都有了较大的提高,结合计算结果表明主要原因为添加Er后引起的晶粒细化。添加Er后,合金的抗腐蚀能力和耐磨损性能都有明显的提高。其中,Mg-43.8Al-1.0Er合金具有最好的耐蚀性和最强的抑制阴极析氢能力,而Mg-42Al-5.0Er合金具有最好的耐磨损性能。当Y含量低于1.0wt.%时,Mg-Al-Y合金由Mg17Al12基体和Al2Y组成。当Y含量超过1.0wt.%时,Mg-Al-Y合金中出现了Mg17Al12-Mg共晶组织。Y含量为2.0wt.%~5.0wt.%时,合金的硬度相差很小为285~290HV。(2)利用热压烧结法在AZ61镁合金表面制备了Mg-Al-Er金属间化合物涂层。电化学测试和滑动磨损试验结果表明涂层样品的耐蚀性和耐磨性比AZ61镁合金基体有很大的提高,且都好于热扩散涂层。原因在于涂层中形成的高硬度Al3Er第二相使得烧结涂层具有较好的耐磨损性能,而Er还可以抑制涂层的析氢腐蚀。(3) Mg-xAl-yY(x=44.3,43.8,43; y=0,1.0,3.0)合金在球磨30h内,随着球磨时间的延长没有发生相变,但衍射峰强度降低、峰宽化。添加稀土Y能有效地改善Mg17Al12合金的吸放氢性能,添加Y使合金的吸放氢速率和放氢平台压力显著升高。其中添加1.0wt.%Y合金的吸氢量和放氢量均很高,分别为3.39%和2.84%,且有较宽而平坦的放氢平台压力为1.33MPa。(4)随着Mg-Al-B合金中B的含量从0.1wt.%增至1.35wt.%,合金的组织由单相树枝晶逐渐向以共晶组织为主过渡。B含量≤1.25wt.%时,合金的显微硬度变化不大,为223HV~229HV。B含量为1.35wt.%时,硬度较低为192HV,但压缩应变和压缩强度极限比Mg-44.3Al合金的分别提高了25%和57%。随着B含量的增加合金的熔点和自腐蚀电位呈单调下降趋势。(5) Mg70Al30合金的显微组织主要由α-Mg枝晶和Mg-Mg17Al12共晶组织组成。合金在H2SO4和乙酸(HAc)溶液中的腐蚀行为有很大的不同。Mg70Al30合金在pH=1.0的H2SO4溶液中表现为全面腐蚀,而在pH=1.0的HAc溶液中表现为选择性腐蚀。共晶组织中晶粒的取向对合金在HAc溶液的腐蚀行为有较大影响,点状共晶组织具有比羽毛状共晶更好的抗腐蚀剥落能力。晶粒取向对合金在H2SO4溶液中的腐蚀行为影响较小。共晶组织在两种溶液中均具有比α-Mg枝晶组织较好的耐蚀性。Mg-Mg17Al12共晶合金发生选择性腐蚀需要两个条件。一是,两相间具有较大的自腐蚀电位差;二是,耐蚀相在去合金化溶液中具有良好的耐蚀性。(6)填充金属间化合物Mg17Al12的泡沫铝复合材料具有实心结构,但具有和泡沫铝一样的压缩特性。复合材料的压缩性能比泡沫铝的有很大的提高。平台应力提高1.5倍以上,吸能能力在各应变水平都有大幅提高。在应变小于0.02和0.2~0.6两个区间时,泡沫铝样品的吸能效率低于同直径的泡沫铝复合材料。应变在0.02~0.2范围内时泡沫铝复合材料的吸能效率低于泡沫铝样品。
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