AZ系镁合金及其Ca和Gd合金化的燃烧性研究

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AZ系镁合金以其较好的力学性能,较低的密度和相对低廉的成本在各行各业得到了广泛的应用,但其应用领域的拓展也受限于易燃性、低耐蚀性和较差的塑性变形能力。因此,目前AZ系合金的成分改进以及其它新型镁合金的开发主要针对以上问题的解决。由于镁合金优良的轻量化效果,其在航空航天和交通运输等领域的应用始终受到高度关注,但航空器和交通工具的安全性对制造材料的阻燃性有严格的要求,而由于镁基体的高活泼性,镁合金部件的阻燃性是其在这些领域应用的重要考量,然而,现有对镁合金及其成分调整对燃烧性影响的研究主要停留在燃点的影响上,尚少有对燃烧动力学问题以及发生燃烧的本质机理的的深入探讨,因此系统开展镁合金燃烧性的动力学影响因素及其物理机理研究,对于新型阻燃镁合金的开发以及扩大镁合金材料的应用领域具有重要的理论与现实意义。本文针对AZ系中AZ31、AZ61和AZ80等典型变形镁合金的燃烧性进行了研究,同时与纯镁进行了比较,主要考察了测试升温速率和固溶处理时间对以上具有不同Al含量的变形镁合金燃点的影响,进而研究了单一添加Ca和组合添加Ca和Gd对AZ80镁合金的燃点、阻燃性和氧化性等的影响规律及其机理,研究取得以下主要结论:(1)对AZ31、AZ61和AZ80三种变形镁合金的燃点测试结果表明,AZ系镁合金的燃点因Al含量的不同而有明显差异,且随Al含量的增加燃点逐渐降低,但燃点降低幅度减缓。Al含量增加所致的低燃点主要在于Al含量增加导致合金的液相线和固相线温度降低且固相线温度降低更显著,从而显著降低与燃点直接相关的热解温度,同时,Al含量增加将提高合金燃烧前表面氧化膜的致密程度从而减缓了热解可燃气向气-固界面散发的能力,提高了表面热解可燃气达到临界起燃浓度所需的温度,一定程度上减缓了合金燃点的降低。(2)燃点测试结果表明,提高升温速率显著提高镁合金燃点。其原因是在较高的升温速率下,合金热解起燃前,表面氧化反应剧烈,基体与氧化膜线收缩率不同可能引起的内应力来不及释放,从而显著改善了表面氧化膜的连续性与平整性,其与增加Al含量导致的氧化膜致密程度提高对燃点的影响有相似的作用机理。(3)研究结果表明,固溶处理对镁合金燃点的影响并不明显,这表明对于特定成分的镁合金无法通过固溶处理来明显改善其燃点。这主要是因为燃点测试的升温过程中,未经固溶处理的合金样品同样会经历类似固溶处理的过程,所以在到达燃点附近温度时,两者燃烧性不会有显著差别。(4)Ca的添加能显著提高AZ80镁合金的燃点且Ca含量越多燃点提高幅度越大,与此同时合金抗氧化能力也得到提升。其本质是Ca的加入不仅显著改善了合金的表面氧化膜的致密程度,研究表明,这还导致了 AZ80镁合金组织中的离异共晶与层片状共晶组织转变为链状、骨骼状或网状β+(Mg,Al)2Ca组织,且随Ca含量的增加(Mg,Al)2Ca相的含量也相应增加,而(Mg,Al)2Ca相在高温下转变为主要分布在晶界处的呈针状和类球状的Al2Ca高温熔点相,阻止了高温氧化侵蚀沿晶界扩展,从而提高了合金的燃点及抗氧化能力。(5)在AZ80-0.8Ca合金中进一步添加Gd未能提高合金燃点,反而因Gd含量增加合金燃点显著降低,且抗氧化能力也有所下降。分析表明,Gd的添加导致AZ80-0.8Ca镁合金中链状和骨骼状β+(Mg,Al)2Ca组织转变为块状Al2Gd和大块状A18Mn4Gd新相及少量不再连续的骨骼状(Mg,Al)2Ca相的同时出现了更多的岛状β-Mg17Al12低温熔点相,低温熔点相耐热性差易燃易氧化,从而降低了合金的燃点及抗氧化能力,且其程度随Gd含量的增加而加重。
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