再生废弃镁合金电化学特性研究及高导热镁合金的开发

来源 :上海第二工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:qaz370724qaz
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随着镁合金在汽车、电子电器、航空航天等领域的广泛应用,在“节能减排、绿色环保”的社会主题下,对于废弃镁合金材料的再回收利用越来越受到关注。另外,镁合金用于LED灯等电子器件的散热器时,要求具有较好的散热性能和力学性能,因此需要开发出高强高导热性镁合金材料。本论文围绕废弃镁合金的再生利用及高强高导热镁合金的开发,首先,利用坩埚炉法回收熔炼了废弃镁合金材料,得到了再生AZ31镁合金(RMA)。其次用熔炼法制备了名义组分分别为Mg-1.5Zn-0.3Mn和Mg-2.0Zn-0.3Mn的三元镁合金以及名义组分为Mg-1.5Zn-0.3Mn-mY与Mg-2.0Zn-0.3Mn-nY(m=0.3,0.6;n=0.4,0.8)四元合金。各制备合金的成分利用电感耦合等离子光谱仪(ICP)进行测定。分别利用X射线衍射(XRD)、金相显微镜、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对制备样品的结构和显微组织进行了分析表征。合金性能研究方面,对于再生AZ31镁合金,分析了其在NaCl和AlCl3两种电解质溶液中的电化学特性,并与商业化镁合金(CMA)进行了对比;对于Mg-Zn-Mn和Mg-Zn-Mn-Y合金,分析了其在铸态、挤压态以及T6热处理态时在25℃-300℃温度范围内的导热特性以及室温下的力学性能。研究结果如下:(1)对于再生镁合金。ICP测试表明,RMA成分范围符合国家标准AZ31的成分范围。与CMA相比,其Al含量较高。XRD图谱和显微组织观察显示,RMA与CMA具有相似的晶体结构特征,并且两者物相组成相似,主要为α-Mg基体,还有少量的Mg17Al12第二相,由于RMA中Al含量较高,其所形成的Mg17Al12第二相较多。在NaCl和AlCl3溶液进行的腐蚀实验、交流阻抗与极化曲线测试结果表明,RMA的腐蚀速率高于CMA,这是因为RMA中含有更多的Mg17Al12第二相。随着电解质溶液浓度的增加,RMA和CMA腐蚀速率均增大。合金在AlCl3溶液中的腐蚀速率高于NaCl溶液,这主要是由于AlCl3溶液中有更多的Cl-。分别对RMA和CMA进行放电性能测试,结果表明,同种电解溶液中,RMA的放电容量高于CMA。随着溶液浓度的增加,放电容量增大。两种合金在NaCl溶液中的放电容量高于AlCl3溶液。RMA在0.9 M NaCl溶液中具有最高的放电容量,达到2.44mAh/cm2。(2)对于Mg-Zn-Mn三元合金。ICP成分分析表明,名义组分分别为Mg-1.5Zn-0.3Mn和Mg-2.0Zn-0.3Mn合金中的实际Zn含量,前者为1.71%,后者为2.37%。XRD图谱和显微组织观察表明,所有合金的铸态、挤压态及T6热处理态下的物相主要为α-Mg基体,还有一定量的MgZn2第二相。铸态下,合金中分布有较多的位错。挤压态下,晶粒明显细化,位错密度大大降低,MgZn2相析出量增加。T6热处理态下,位错几乎消失,基体中的MgZn2相析出量进一步增加。合金样品热导率随温度变化的关系测试结果表明,随着温度的升高所有合金的热导率增加。低Zn含量的合金热导率高于高Zn含量的合金,这与高Zn含量合金晶格畸变程度大有关。合金经过挤压处理、T6热处理后,热导率上升,这是由于挤压和热处理后,合金中位错减少、第二相析出量增加的结果。铸态、挤压态和T6热处理态下合金的力学性能测试结果表明,高Zn含量合金样品的屈服强度和抗拉强度比低Zn样品有所提升,但延伸率有所下降,其强化机制主要表现为固溶强化。相比于铸态,挤压态合金的屈服强度和抗拉强度明显提高;相比于挤压态,T6热处理态下合金的屈服强度和抗拉强度有所上升,但延伸率有所下降,其强化机制主要取决于第二相强化。(3)对于Mg-Zn-Mn-Y四元合金。ICP成分分析表明,实际合金样品中的Zn含量比名义组分偏高10%或多一些,Y的含量略高于名义组分。XRD图谱和显微组织观察显示,铸态合金的物相主要为α-Mg基体,还有少量的MgZn2第二相和Mg3Y2Zn3第二相。铸态组织分布有大量的位错。挤压态及T6热处理态下,合金样品第二相析出量增加,位错密度降低直至几乎消失。添加稀土Y后,显著细化合金的晶粒。四元合金热导率随温度变化的关系测试结果表明,随着温度的升高,合金的热导率增加。合金经过挤压处理和T6热处理后,热导率上升,主要是由于经过挤压和热处理后,合金中位错减少,并且第二相析出量增加所引起的。另外,随着稀土Y含量的增加,合金的热导率先增加后降低。铸态、挤压态和T6热处理态下四元合金的力学性能测试结果显示,相比于铸态与挤压态,T6热处理态样品的屈服强度和抗拉强度有所上升,但延伸率有所下降,其强化机制与第二相强化有关。随着合金中Y含量的增加,合金的屈服强度和抗拉强度均有一定的提升,其强化机制取决于固溶强化。结合以上研究发现,T6热处理态Mg-2.0Zn-0.3Mn-0.4Y合金具有最佳综合性能,符合高强高导热应用要求,其热导率达到141.18W/m·K,抗拉强度达到308.19MPa,延伸率为9.11%。
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