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泡沫镁合金的制备及其性能研究

郭权芬  
【摘要】:泡沫镁合金是一种在镁合金基体中分布着大量孔洞的新型轻质结构-功能材料。具有比重小、孔隙率高、减震吸能及良好生物相容性等特点,应用前景非常广阔。然而,由于制备工艺复杂、力学性能和耐腐蚀性能差,泡沫镁合金的开发应用仅限于实验室阶段,仍不能满足工业要求。针对这一问题,本文通过对泡沫镁合金的制备工艺进行研究,确定最佳工艺参数,利用实验和图像处理技术定性分析了泡沫镁合金的结构参数,对比研究Al和Zn元素对泡沫镁合金孔壁组织、力学性能和耐腐蚀性能的影响,得到以下结论:(1)通过原料和工艺参数的改变,利用粉末冶金法制备了孔隙率达30~70%的开孔泡沫Mg-6Al合金,其平均孔径约为1.1 mm,孔壁厚度约为100~300μm,孔的平均圆度值为0.75。通过优化工艺参数,最佳参数为:压制压力200 MPa,烧结温度600 ℃,保温时间6 h。(2)在抗压试验过程中,泡沫Mg-6Al合金具有明显的弹性区、平台区和致密区。随着孔隙率增加,弹性变形阶段减小,屈服应力降低。应力-应变曲线随孔隙率的增大其波动逐渐变小。(3)对泡沫Mg的烧结过程进行分析,其首先在180~200 ℃发生尿素的分解并在烧结体中留下生成孔,升温至0.4Tm发生Mg粉颗粒之间的初始冶金结合。继续升温至0.5Tm,Mg粉颗粒经过迁移扩散形成烧结颈,孔径通道趋于平整光滑。温度升高至560~620 ℃时,Mg粉颗粒间距减小并形成连续网络结构,间隙孔大量消失,生成孔隙结构稳定、孔壁光滑的泡沫Mg。(4)添加合金元素Al之后,泡沫Mg1-xAl(x=0,3,6,9,wt%)合金组织主要由α-Mg基体和β-Mg17Al12相组成,孔壁组织随着Al的加入趋于平整光滑,合金的硬度增大,屈服强度和抗弯强度显著提高,当Al含量增至9%时,合金强度略有降低;Al元素的加入使得腐蚀速率降低,耐蚀性提高。(5)Zn的加入使泡沫Mg-yZn(y=1,2,3,4,wt%)合金的组织得到细化,孔壁组织趋于均匀,合金硬度增大,屈服强度和抗弯强度随Zn含量的增加出现先上升后下降的现象,其中,泡沫Mg-3Zn合金的屈服强度和抗弯强度达到最高,分别为18.3 MPa和16.1MPa,而当Zn含量达到4%时,合金组织由于出现硬脆的MgZn相金属间化合物,屈服强度和抗弯强度略有下降;泡沫Mg-yZn(y=1,2,3,4,wt%)合金的耐腐蚀性能随Zn的增加先增大后降低,其中泡沫Mg-3Zn合金耐腐蚀性能最好。(6)泡沫Mg-zAl-Zn(z=3,6,8,9,wt%)合金组织主要由α-Mg基体和β-Mg17Al12相组成,Al的加入使合金间隙孔数量减少,孔壁组织更加致密均匀,合金硬度增大;屈服强度和抗弯强度随Al含量的增加先上升后下降,其中,泡沫Mg-8Al-Zn合金屈服强度和抗弯强度达到最高,分别为24.7 MPa和20.2 MPa;泡沫Mg-zAl-Zn(z=3,6,8,9,wt%)合金的耐腐蚀性能随Al的增加先增大后降低,其中泡沫Mg-6Al-Zn合金耐腐蚀性能最好。


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