Mg-Sr-Ca合金及其电化学还原制备研究

论文摘要

提高镁合金的高温性能是最近30年镁合金研究的重要课题,国内外学者在耐热镁合金研究方面给予了大量的关注,做了很多工作。Mg-Sr-X系列合金具有良好的耐热性能。Mg-Sr-X系列合金及其制备技术是当今全球耐热镁合金研究、开发的的热点。本论文重点研究采用电化学还原法制备Mg-Sr-Ca合金过程中涉及的主要理论及工艺问题,以期获得新的Mg-Sr-X系列合金及其制备新方法。论文研究中,借鉴常规的熔盐电解理论,设计了Mg-Sr-Ca合金熔盐电化学还原制备工艺流程;计算并分析了理论分解电压和金属的电极电位;设计制作了电化学还原实验装置,并在其上进行了一系列的Mg-Sr-Ca合金熔盐电化学还原制备实验研究;采用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）等检测手段对制备的Mg-Sr-Ca合金试样进行了表征。研究结果表明:①大多数熔盐密度均大于熔融镁基合金的密度,大多数熔盐在熔融镁基合金中会下沉,只有锂盐等少数盐类及其混合物的熔盐可悬浮在一些熔融镁基合金上。②SrCl2-CaCl2混合熔盐体系具有良好的电解综合性能,是电解还原制备含Sr、Ca的镁合金的较为理想的电解质。SrCl2-CaCl2混合熔盐的密度较Mg-Al合金熔体的密度大,电解时,SrCl2-CaCl2混合熔盐位于Mg-Al合金熔体底部。同时,设计、配置熔盐时,还应当考虑熔盐与合金熔体具有足够大的密度差,以方便电解后二者的分离。③用于熔融镁基合金上置于熔盐的电解装置应当具有防止Mg及合金元素的烧损及氧化,排除电解过程产生的气体,电极及电流参数调整等功能。④在SrCl2-CaCl2混合熔盐的电解过程中,将同时析出金属Sr和金属Ca。其中,金属锶的密度大于Mg-Al合金熔体的密度,有下沉到SrCl2-CaCl2混合熔盐并导致熔盐中毒的趋势,将电解温度与阴极电流密度控制在适宜范围,可强化Sr向Mg-Al合金熔体的扩散,提高Sr的收得率。金属Ca的密度小于Mg-Al合金熔体的密度,有利于扩散进入Mg-Al合金熔体,同时,熔盐对金属钙的溶解及Mg-Al合金熔体中金属Ca的烧损对Ca的收得率有影响。⑤采用本论文研究的电化学还原法制备的Mg-Sr-X合金样品的微观组织中,Sr、Ca合金元素聚集于初晶镁的枝晶间与晶界区域。晶界的杆状相组织与Mg-4Al-2Sr合金的Al4Sr相组织非常相似,能谱分析结果显示,这些形状奇特的杆状相是Al4Sr和呈骨骼状的Al2Ca。这些高熔点的硬质相,可以有效钉扎晶界,提高镁合金的综合力学性能。当Sr、Ca含量的很低时,Al4Sr、Al2Ca的体积会减小,仍然存在Mg17Al12。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 耐热镁合金的研究现状
• 1.2.1 Mg-Al 系合金
• 1.2.2 Mg-Zn 系合金
• 1.2.3 Mg-RE 系合金
• 1.2.4 Mg-Al-Sr，Mg-Al-Ca 系合金
• 1.3 镁、锶及钙资源与性质
• 1.3.1 镁、锶及钙资源
• 1.3.2 镁及金属锶、金属钙性质
• 1.4 镁锶合金制备工艺现状及趋势
• 1.4.1 镁锶合金制备方法
• 1.4.2 镁锶合金制备过程中的熔体保护
• 1.4.3 镁锶合金制备工艺发展趋势
• 1.5 本课题研究的意义及内容
• 1.5.1 研究的意义
• 1.5.2 研究的主要内容
• 2 熔盐电解理论基础
• 2.1 熔盐概述
• 2.2 熔盐电解基本原理
• 2.3 熔盐的特性
• 2.3.1 熔盐的熔点
• 2.3.2 熔盐的密度
• 2.3.3 熔盐粘度
• 2.3.4 熔盐的表面张力
• 2.3.5 熔盐的导电度
• 2.4 熔盐电解体系的选择原则
• 3 理论分解电压和金属的电极电位的计算与分析
• 3.1 理论分解电压、实际分解电压及其反电动势概述
• 3.2 理论分解电压的计算方法
• 3.3 几种氯化物理论分解电压的计算
• 3.4 电解电压的确定原则
• 4 电解装置设计与制作
• 4.1 电解槽体
• 4.2 保护气体
• 4.3 密封
• 4.4 电极升降支架
• 4.5 加热系统
• 4.6 电极
• 4.7 电解电源
• 4.8 电解装置实物图
• 5 电解质的研制
• 5.1 熔盐的密度实验
• 5.1.1 实验理论支持
• 5.1.2 密度测试实验
• 5.2 熔盐的初晶点实验
• 5.3 氯化锶与氯化钙挥发性测试
• 5.4 电解质组成的确定
• 6 电解实验研究
• 6.1 实验方法
• 6.1.1 实际分解电压测试
• 6.1.2 金属亲和性研究
• 6.1.3 合金成分配比及分析
• 6.1.4 电解前准备工作
• 6.1.5 电解实验方案设计
• 6.1.6 实验步骤
• 6.1.7 材料及设备
• 6.1.8 电解实验条件
• 6.1.9 实验过程及安全事项
• 6.2 实验结果与分析
• 6.2.1 电解现象与产物
• 6.2.2 电流密度、电流效率的测定
• 6.2.3 电流效率的影响因素
• 6.2.4 电解产物的成分与组织
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录