高性能泡沫镁的制备及其压缩性能研究

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多孔泡沫镁作为一种新型的结构和功能一体化材料,除了具备低密度、高比强度和高比刚度等特点,还具备良好的能量吸收性能、减振降噪特性、阻尼性能和生物相容性等,故在航空航天、汽车交通、国防军事、医疗卫生和建筑工程等多个领域有潜在的应用背景。但是,由于镁基体的强度相对偏低,且高温力学性能较差,所以泡沫镁的力学性能需要改善。本文针对这个问题,采用表面处理技术和稀土合金化方法设计和制备高性能的镁基泡沫材料,对镁合金泡沫的基础理论和实际应用都具有重要的意义。本文通过渗流铸造法制备开孔AZ91D镁合金泡沫,分别研究了孔隙率和温度对开孔AZ91D镁合金泡沫压缩性能的影响规律。并通过表面处理方法制备出微弧氧化(MAO)-化学镀(EN)复合膜层增强AZ91D镁合金泡沫。初步探讨了复合膜层对镁合金泡沫的压缩性能的作用机制。另外采用稀土合金化的方法设计并制备了开孔Mg-xGd-2Zn(x=4,6,8 wt.%)镁合金泡沫,研究了Gd的含量对不同温度下镁合金泡沫的压缩性能和能量吸收特性的影响,观察和分析了泡沫的压缩变形行为,初步探讨了其失效机理。结果表明:1.孔隙率和温度对开孔AZ91D镁合金泡沫的压缩强度和能量吸收能力影响较大,但对能量吸收效率影响不大。随着温度的升高,AZ91D镁合金泡沫的失效由孔棱的断裂(或撕裂)为主变成弯曲(或屈曲)为主,断裂方式则由脆性断裂为主转变成韧性断裂为主。2.通过微弧氧化和化学镀镍复合处理,在开孔AZ91D镁合金泡沫的内外表面形成复合膜层。微弧氧化膜层和化学镀镍磷膜层表面分别呈现出“火山口”形貌和胞状结构,MAO膜层与AZ91D基体结合良好,EN膜层与MAO膜层相互嵌合,结合力得到提高。3.MAO-EN复合膜层可以明显提高AZ91D镁合金泡沫室温下的压缩强度和能量吸收能力。随着压缩温度的升高,压缩强度和能量吸收能力逐渐降低,但能量吸收效率的变化不明显。室温下,复合膜层增强AZ91D镁合金泡沫的失效主要以孔棱的断裂为主,还有膜层的破裂和膜层之间的剥离。随着温度的升高,镍磷膜层脱落现象明显减少。4.随着Gd含量的增加,Mg-xGd-2Zn(x=4,6,8 wt.%)镁合金泡沫显微组织得到一定程度的细化,并且第二相体积分数增大。增加Gd的含量促进了长周期堆垛有序结构(LPSO)相的形成。Mg-4Gd-2Zn泡沫的镁合金基体主要由α-Mg和(Mg,Zn)3Gd相组成,而Mg-6Gd-2Zn和Mg-8Gd-2Zn泡沫的镁合金基体则主要由α-Mg、(Mg,Zn)3Gd相和LPSO相组成。5.随着Gd含量的不断增加,Mg-xGd-2Zn(x=4,6,8 wt.%)泡沫的压缩强度和能量吸收能力不断提高,但是能量吸收效率变化不明显;随着压缩温度的升高,Mg-Gd-Zn合金泡沫的压缩强度和能量吸收能力下降明显,但是对能量吸收效率影响不明显。
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