Mg-4.5Al-1.5Sn-0.5Ca可溶合金微观组织与性能研究

作     者：董柯军 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王大为

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：可溶镁合金 力学性能 腐蚀性能 腐蚀机制 

摘      要：镁及其合金性质活泼、易降解且降解产物无害,在页岩油气等非常规能源的开采上具有广阔的应用前景。非常规油气一般使用水平井分段压裂技术开采,其中需要封堵工具且常规的水平井封堵工具需要二次施工去除。利用镁合金易降解特性制备的可溶封堵工具省去了二次施工的操作,可有效节约施工时间、降低成本。因此,可溶镁合金在非常规油气能源开采领域的研究受到众多研究者的关注。在实际应用时,可溶镁合金的力学性能和降解性能都应达到施工标准。传统商业镁合金的力学性能足够胜任力学需求,但溶解速率较低,不能直接作为可溶材料使用。因此需要在商业镁合金的基础上设计新型合金。本文系统的研究了Mg-4.5Al-1.5Sn-0.5Ca(ATX410,wt.%)合金,首先通过改变浇铸模具获得不同凝固速率的铸态合金,然后选择均质化和时效处理调控合金的微观组织、改善合金性能。本文采用XRD、SEM、TEM、三维形貌分析等技术手段表征镁合金的微观组织和腐蚀形貌,利用析氢、失重和电化学方法测试合金的腐蚀速率、研究合金的腐蚀行为。获得的主要研究结论如下:(1)铸态常规凝固(Conventional Solidification,CS)合金中存在棒状的Ca Mg Sn相和岛状的MgAl相;亚快速凝固(Sub-Rapid solidification,SRS)合金中仅存在棒状Ca Mg Sn相。CS合金中的Ca Mg Sn相聚集在一起,集中分布;SRS合金中的棒状Ca Mg Sn相长度更短,但数量更多,分布更均匀。均质化处理后,CS合金中的MgAl相消失,只剩下聚集的Ca Mg Sn相。SRS合金经过均质化处理后,棒状Ca Mg Sn相球化并细化至～1μm。(2)均质化处理后,SRS-T4合金的最大抗拉强度(UTS)和断裂延伸率(EL)同时增加,分别为236 MPa和24%。SRS-T4合金的力学性能优于CS合金(CS-T4合金的UTS和EL分别为～220 MPa和～21%)。在均质化合金中,SRS-T4合金中的共晶Ca Mg Sn相细化,并以近球状颗粒的形式存在。细小的近球状Ca Mg Sn颗粒与a-Mg基体的总接触面积大、距离短,可以提供更多的反应活性位点。因此,均质SRS合金的腐蚀速率快(25℃和93℃对应的腐蚀速率分别为～145.25mm y和～2739.45 mm y)。且腐蚀位点分布均匀、宏观表现为均匀腐蚀;均质化的CS合金则由于棒状Ca Mg Sn相的聚集而发生宏观局部腐蚀,且腐蚀速率较低(20.63 mm y)。(3)时效处理后,时效态合金的YS均高于均质化合金。CS和SRS合金的UTS随时效时间增加而增加,在时效8 h时达到最大。CS-T6-8h合金的最大抗拉强度为230 MPa,断裂延伸率为13.7%;SRS-T6-8h合金的最大抗拉强度为246MPa,断裂延伸率为18.5%。在时效态合金中,CS合金的腐蚀速率先随时效时间延长而增加,然后减少。腐蚀速率在时效4 h时达到最大值,P约为24.83 mm y;SRS合金的腐蚀速率与时效时间正向相关,在时效8 h时达到最大,P约为109.26 mm y。本文系统研究了合金的组织与溶解性能的关系,探究了合金的腐蚀机制及相关因素。研究结果可为镁合金腐蚀性能的调控提供支持、为可降解镁合金的开发和应用提供一定的实验支持。