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中国有色金属学报 2024年

作者：宰乐童鑫王云张昊薛小怀上海交通大学材料科学与工程学院布鲁内尔大学先进凝固技术中心

低合金化镁合金因其可加工性好、耐蚀性优异和成本低等优势，成为变形镁合金发展的重要趋势之一。焊接连接已成为推广应用这类材料的关键。然而，低合金化镁合金在焊接过程中存在焊缝晶粒粗大、有效强化相较少等组织软化问题，导致焊接... 详细信息

低合金化镁合金因其可加工性好、耐蚀性优异和成本低等优势，成为变形镁合金发展的重要趋势之一。焊接连接已成为推广应用这类材料的关键。然而，低合金化镁合金在焊接过程中存在焊缝晶粒粗大、有效强化相较少等组织软化问题，导致焊接强度不匹配等挑战。本文基于镁合金焊接冶金学的相关理论，重点总结了调控低合金化镁合金焊缝组织的方法，并系统论述了焊缝组织演变过程和机理。最后，针对这类合金在焊接方面的应用需求，对该领域的发展趋势进行了展望。

关键词：低合金化镁合金熔化焊接焊缝组织晶粒细化工艺调控

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镁空气电池用低合金化镁阳极材料的组织特性与放电性能研究

镁空气电池用低合金化镁阳极材料的组织特性与放电性能研究

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作者：上官菲儿太原理工大学

学位级别：硕士

镁空气电池由于其高理论放电电压、高比能量密度、低成本、清洁无污染等特点,在能量存储和转换领域具有极大的发展潜力。然而,镁空气电池在实际应用中面临高的阳极极化以及低电池容量等问题,严重阻碍其广泛应用。合金化、热处理和塑性... 详细信息

镁空气电池由于其高理论放电电压、高比能量密度、低成本、清洁无污染等特点,在能量存储和转换领域具有极大的发展潜力。然而,镁空气电池在实际应用中面临高的阳极极化以及低电池容量等问题,严重阻碍其广泛应用。合金化、热处理和塑性变形是改变镁合金阳极化学成分和微观组织实现镁空气电池放电性能改善的有效策略。然而,大量的合金元素容易引入大量的第二相颗粒,诱发微电偶腐蚀,导致阳极效率降低。因此,本研究致力于通过Bi、Sn、Ca、In和Ag元素微合金化、热处理以及热挤压变形,调控镁合金阳极的微观组织特征,并结合电化学行为、放电性能测试及放电形貌分析,揭示微观组织对放电性能的影响规律,重点研究晶粒尺寸、第二相、晶粒结构对放电性能的影响,具体研究内容和结果如下:(1)研究了 Ca、In元素微合金化对挤压态Mg-0.5Bi-0.5Sn(wt.%)合金组织演变、电化学和放电性能的影响。结果表明:Ca/In元素微合金化显著降低Mg-Bi-Sn基合金的晶粒尺寸和织构强度,特别是In元素。此外,Ca元素微合金化促进Mg-0.5Bi-0.5Sn-0.5Ca(BTX000)合金中析出相体积分数增多,部分纳米级Mg3Bi2析出相转变为微米级Mg2Bi2Ca相。电化学测试结果表明:Ca/In元素微合金化显著提高阳极的电化学活性,并且In元素合金化有效抑制阴极析氢动力学,导致Mg-0.5Bi-0.5Sn-0.5In(BTI000)阳极具有较低的析氢自腐蚀速率,从而有效提高电池放电电压和比容量密度。此外,在全电池测试中:BTX000和BTI000合金均表现出相对优异的放电电压、阳极效率和比能量密度,这主要归因于疏松的产物膜以及弱的“块效应”。(2)为了降低第二相对镁空气电池放电性能的负面影响,设计了低合金化Mg-xAg(x=0.25和2 wt.%)合金组织演变和放电行为。结果表明:挤压态Mg-0.25Ag和Mg-2Ag合金均表现出由拉长变形晶粒和等轴晶粒组成的双峰组织。此外,相比于Mg-2Ag合金中出现Ag元素的偏聚以及大量弥散分布的纳米级Mg76Ag24第二相,Mg-0.25Ag合金中没有发现Ag元素的偏聚和第二相。析氢测试结果表明:随着Ag元素含量的增加,析氢速率显著增加,这主要归因于溶解再沉积的Ag纳米粒子导致严重的阴极活化。在全电池测试中,Mg-0.25Ag阳极展现出最佳放电性能,这与抑制的析氢反应以及“块效应”密切相关。(3)为了揭示晶粒结构对放电性能的影响,设计了具有不同晶粒结构的低合金化Mg-0.5Ag镁合金。结果表明:相比于具有由等轴晶粒和变形晶粒组成双峰组织组成的挤压比为16(ER 16)的合金,挤压比为25(ER 25)的合金表现出等轴细晶组织。均匀的组织促使镁阳极基体的均匀溶解,从而具有高的阳极溶解动力学、抑制的析氢和“块效应”,因此展现出相对优异的电池电压、阳极效率和比能量密度。综上所述,构建晶粒细、织构强度低、取向随机且均匀的组织的镁合金作为镁空气电池阳极材料,对于产生疏松多孔的产物膜、析氢腐蚀反应以及“块效应”的抑制至关重要,从而可以有效的改善镁空气电池放电性能。上述研究结果对于通过调控微观组织特征来提高镁空气电池放电性能提供了必要的数据支撑与理论依据。

关键词：镁空气电池阳极材料低合金化镁合金电化学行为放电性能

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镁空气电池用低合金化Mg-Bi基阳极材料的组织特性与放电性能研究

镁空气电池用低合金化Mg-Bi基阳极材料的组织特性与放电性能研究

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作者：陈宇航太原理工大学

学位级别：硕士

镁空气电池具有比能量密度高、使用简单安全以及成本低的特点,为解决当代环境污染和化石能源短缺问题提供了一条有效解决路径。然而,镁空气电池阳极材料仍然面临着较高的阳极极化以及较低的阳极利用率等瓶颈问题,这在一定程度上阻碍了... 详细信息

镁空气电池具有比能量密度高、使用简单安全以及成本低的特点,为解决当代环境污染和化石能源短缺问题提供了一条有效解决路径。然而,镁空气电池阳极材料仍然面临着较高的阳极极化以及较低的阳极利用率等瓶颈问题,这在一定程度上阻碍了镁空气电池的广泛应用。一般而言,合金化和塑性变形是调控镁阳极材料微观组织从而改善镁阳极的放电性能有效手段。最近的相关研究指出Mg-Bi基合金是一种非常有潜力的镁空气电池用阳极材料,但是过高的Bi含量虽然可以提高阳极材料的放电活性同时也会导致合金的阳极利用率降低。因此,为了降低MgBi相的不利影响,本文以低合金化Mg-Bi基合金为基础合金,通过Ca、Ag和In元素的多元微合金化、固溶处理以及热挤压变形,对镁阳极的微观组织进行调控,并研究相关的电化学行为、恒电流放电行为以及进行表面形貌分析,深刻地揭示了阳极微观组织特征与放电性能之间的关系,具体的研究内容和结果如下:(1)研究了Bi含量对挤压态二元Mg-xBi(x=0.5、1和2 wt.%)合金微观组织和放电性能的影响。结果表明:挤压态Mg-Bi二元合金均呈现出不完全动态再结晶(un DRX)组织,随着Bi含量的增加,合金中弥散分布的纳米级MgBi相逐渐增多。Mg-0.5Bi阳极展现了最佳的放电性能,这主要与其良好的放电活性以及均匀的组织溶解有关。(2)为了进一步提升Mg-0.5Bi阳极的放电性能,设计了低合金化Mg-0.5Bi-0.5Ca-0.5Ag(wt.%)合金,并研究了Ca和Ag的复合添加对挤压态合金微观组织特征和放电性能的影响。结果表明:Ca和Ag复合微合金化可以有效促进DRX进程和组织均匀性,从而在放电过程中促进基体的均匀溶解。此外,Ca和Ag的微合金化通过增强的反应动力学以及薄而松散的放电产物的形成,从而实现了电池电压和放电容量的协同提升。(3)为了进一步优化挤压工艺参数,研究了挤压比对挤压态低合金化Mg-0.3Bi-0.3Ag-0.3In合金微观组织和放电性能的影响。结果表明:挤压比为9(ER 9)的合金样品呈现出由变形晶粒与等轴晶粒组成的双峰组织,晶内位错密度较低;挤压比为36(ER36)的合金样品则为均匀的等轴晶组织,晶内存在高密度的位错。具有均匀组织的ER 36阳极材料可以提高阳极反应动力学且抑制阴极析氢动力学,表现出优异的放电性能,是一种理想的镁空气电池阳极材料。综上所述:均匀的微观结构、阳极基体的均匀溶解以及疏松的放电产物是提高阳极材料的放电性能的重要决定因素。上述研究结果对于设计高性能的阳极材料提供了必要的数据支撑与理论依据。

关键词：镁空气电池阳极材料低合金化镁合金电化学行为放电性能

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