AZ31镁合金无熔剂熔炼与净化机理研究

AZ31 magnesium alloy was one of the most widely applied wrought magnesium alloy at present. However, the traditional flux smelting methods were backward and pollute the environment, the quality of alloy was reduced because of the inclusions and defects of air hole, which limit the application in high-end fields. Therefore, it was extremely important to explore advanced technology of no flux smelting and purification, to develop a new kind of cheap protective gas which was prepared simply and has perfect effect for improving the quality of magnesium alloy and environmental protection. The project based on comparing the resolution free energy of C、F compounds in different condition and reaction free energy with AZ31 magnesium alloy to confirm the stabilization degree of product and select effective fire retardant gas compound to protect magnesium alloy smelting. The protective effect and the degree of influence on environment were evaluated through the study on fire retardant protection mechanism experiment and theory to confirm the ideal protective gas. In addition, the recombination technology mechanism of rotating injection and ceramic filtering, the quantitative detection of impurities such as magnesium oxide in AZ31 magnesium alloy were studied to provide theoretical support for high-quality magnesium alloy production.

AZ31镁合金是目前应用最广的变形镁合金，但由于传统的熔剂熔炼方法落后，污染环境，且产生的夹杂和气孔缺陷降低了合金品质，成为其在高端领域应用的瓶颈之一。因此，探索先进的无熔剂熔炼及净化技术，开发一种制备简单、价格便宜且保护效果理想的新型保护气体，对提高镁合金品质、环境保护都极其重要。本项目基于将C、F化合物在不同条件下的分解自由能与镁合金反应的自由能相比较，来确定其与镁合金反应生成物的稳定程度，从而选出能有效阻燃的气体化合物对镁合金熔炼进行保护，并通过对阻燃保护机理的实验及理论研究，来评价其保护效果及对环境的影响程度，以确定理想的保护气体；另外还拟对旋转喷吹及陶瓷过滤复合工艺机理、AZ31镁合金中氧化镁等夹杂的定量检测方法进行研究，为高品质镁合金生产提供理论支撑。

AZ31镁合金作为一种变形镁合金，在航空航天、国防军工和汽车等领域中得到应用。由于传统的熔剂熔炼方法落后，熔炼过程中残留夹杂降低了其强度、延展性及耐腐蚀性，限制了其在高端领域的应用。本项目首先研究了不同C/F的反应气体NovecTM612、HFC-125和HFC-134a与压缩空气混合后对AZ31镁合金保护效果的影响及所需的最低有效保护浓度。确定了C/F为0.5的HFC-134a混合气体为AZ31镁合金熔炼的保护气体，该混合气体价格和温室效应都比目前工业上最常用的SF6低，且对臭氧层无破坏作用，是一种理想的保护气体。随后，研究不同的HFC-134a混合气体浓度、熔体温度、保温时间对合金熔体表面氧化膜形成的影响。研究发现保护气体浓度越高，对熔体的保护效果越好；保护气体浓度相同时，熔体温度越低，保护效果越好；在气体浓度和熔体温度时，保温时间越长，氧化膜就越容易破裂。在此结论上进一步确定了HFC-134a混合气体在不同温度下熔炼AZ31镁合金的最佳工艺配比。通过分析氧化膜的形貌、化学成分和物相组成得出了氧化膜形成的机理，即HFC-134a在高温下分解出C和F2，F2和保护气体中的O2与Mg2+离子反应生成了MgF2和MgO。MgF2、MgO和无定型碳之间的粒子迁移和扩散使得复合氧化膜形成生长。在从热力学和动力学角度，分析了氧化膜表面可能发生的主要反应和膜的生长动力学，得出了复合氧化膜的阻燃机理为：无定型C存在于膜/O2界面上，强烈抑制了Mg2+向该界面的扩散，使得表面膜生长速度缓慢，也即镁熔体氧化速度缓慢，起到阻燃保护作用。最后，应用Fluent软件模拟Ar吹入镁合金熔体后气泡的形成、破碎和分布。研究了AZ31镁合金熔炼过程中的旋转喷吹的气流量、旋转速度及除气位置对合金铸件力学性能和微观组织的影响，确定了最佳旋转喷吹工艺。对合金中的MgO等夹杂进行了定量检测，并分析了旋转喷吹除气机理和MgO陶瓷过滤机理。本项目的研究成果对制备出高纯净度、高质量、高性能的镁合金材料，降低合金熔炼成本、减少环境污染有重要意义，并为高品质镁合金的生产提供理论支撑。