铝合金的吸氢及析氢过程机理

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1、莂虿袁膅蒄蒂螇膄膄蚇蚃膃芆蒀羂节莈蚅袈节蒁蒈螄芁膀蚄螀袇莃薇蚆袆蒅螂羄袆膄薅袀袅芇螀螆袄荿薃蚂羃蒁莆羁羂膁薁袇羁莃莄袃羀蒆蚀蝿羀膅蒃蚅罿芈蚈羄羈莀蒁袀羇蒂蚆螆肆膂葿蚁肅芄蚅薇肄蒇蒇羆肄膆螃袂肃艿薆螈肂莁螁蚄肁蒃薄羃肀膃莇衿腿芅薂螅膈莇莅蚁膈肇薁蚇膇艿蒃羅膆莂虿袁膅蒄蒂螇膄膄蚇蚃膃芆蒀羂节莈蚅袈节蒁蒈螄芁膀蚄螀袇莃薇蚆袆蒅螂羄袆膄薅袀袅芇螀螆袄荿薃蚂羃蒁莆羁羂膁薁袇羁莃莄袃羀蒆蚀蝿羀膅蒃蚅罿芈蚈羄羈莀蒁袀羇蒂蚆螆肆膂葿蚁肅芄蚅薇肄蒇蒇羆肄膆螃袂肃艿薆螈肂莁螁蚄肁蒃薄羃肀膃莇衿腿芅薂螅膈莇莅蚁膈肇薁蚇膇艿蒃羅膆莂虿袁膅蒄蒂螇膄膄蚇蚃膃芆蒀羂节莈蚅

2、袈节蒁蒈螄芁膀蚄螀袇莃薇蚆袆蒅螂羄袆膄薅袀袅芇螀螆袄荿薃蚂羃蒁莆羁羂膁薁袇羁莃莄袃羀蒆蚀蝿羀膅蒃蚅罿芈蚈羄羈莀蒁袀羇蒂蚆螆肆膂葿蚁肅芄蚅薇肄蒇蒇羆肄膆螃袂肃艿薆螈肂莁螁蚄肁蒃薄羃肀膃莇衿腿芅薂螅膈莇莅蚁膈肇薁蚇膇艿蒃羅膆莂虿袁膅蒄蒂螇膄膄蚇蚃膃芆蒀羂节莈蚅袈节蒁蒈螄芁膀蚄螀袇莃薇蚆袆蒅螂羄袆膄薅袀袅芇螀螆袄荿薃蚂羃蒁莆羁羂膁薁袇羁莃莄袃羀蒆蚀蝿羀膅蒃蚅罿芈蚈羄羈莀蒁袀羇蒂蚆螆肆膂葿蚁肅芄蚅薇肄蒇蒇羆肄膆螃袂肃艿薆螈肂莁螁蚄肁蒃薄羃肀膃莇衿腿芅薂螅在铝合金熔铸过程中，合金液总会不同程度地与相当数量的O2、H2、N2、CO、CO2、H2O或其他碳

3、氢化合物(CmHn)、硫化物等接触。按照热力学规律，它们将发生各种可能的反应而导致合金状态的改变，影响合金的质量。通过了解和掌握它们在铝合金中反应的热力学行为及过程机理，便能有效地采取防、排、溶等措施以保证其合金质量。1铝与气体反应的热力学借助某些复杂气体的生成反应，可求出等温等压下铝与一些气体发生反应的热力学数据。注：*计算数据来源于文献［1］、［2］、［3］体反应的趋势很大。因此，既使气体分压很小，反应也会立即发生。例如，生成γ-Al2O3的反应在po2大于4.71×10-41Pa就能进行(1000K时)；1000K时水蒸汽对铝液的氧化平

4、衡分压仅为2.624×10-14Pa而空气中水的平均分压为758Pa，是铝液氧化平衡水蒸汽分压的2.89×1016倍。其它气体亦能在较低分压下与铝液发生反应，在1000K时PCH4大于26Pa时反应5即能正向进行；CO，CO2接触铝液其分压力分别大于1.75×10-10Pa和5.75×1023Pa时即能生成碳化铝和氧化铝；生成AlN的反应在N2的分压大于1.689×10-10Pa条件下就能发生。然而从表一所列反应8和反应10可以看出碳化铝和氮化铝在潮湿的空气中极不稳定，只要空气中水蒸汽分压达到1Pa它们又都转变为氧化铝和CH4和NH3。由此可

5、见铝与气体的反应主要生成氧化铝；而与含氢气体的反应形成的原子氢则溶入熔融态的铝中，是铝合金吸氢的主要途径。2铝合金吸氢的热力学2.1原子氢在铝液中的溶解度氢在铝液中的溶解过程可表达为根据热力学第二定律，溶解平衡关系为2.2合金元素对氢溶解度的影响从表二中的A值变化可以看出，随着铝中Cu和Si含量的增加，同温度下氢的溶解度减少，随着Mg含量的增加溶解度增大。进一步研究发现，那些电负性小于Al的元素如Mg、Ca、Na、K等均能增加氢在铝液中的溶解度，反之则降低氢在铝液中的溶解度。这是因为氢原子的电负性为2.1，铝原子的电负性为1.5，而Si原子的

6、电负性为1.8，Cu原子的则为1.9，所以铝液中Si和Cu原子的存在将降低氢和铝的化学亲和力，使氢在铝液中的活度升高，饱和浓度降低。Mg(电负性为1.2)使氢铝亲和力增强从而降低了氢在铝液中的活度，使氢在铝液中的溶解度升高。然而电负性都为1.5的Ti、Mn就不会改变氢在铝液中的溶解度。无数实验结果也都证明了这一认识。2.3潮湿环境对氢在铝液中溶解度的影响在潮湿的介质中，除铝的氧化速度增加外，氢在铝液中的溶解度也将极大地增加，见表三。表3不同湿度氢气氛下氢在合金液中的溶解度［7］合金及其成份(%质量)氢的溶解度(cm3/100g合金)P总=10

7、1325Pa干氢气湿氢气(PH2=32424Pa)99.99%Al0.9003.890Al+5%Si0.6003.530这也可由Al—H2O—H2平衡物系的分析得出，反应由(3)式可见即便水蒸汽的分压很低，其氢分压也能达到非常巨大的量。然而与含氢量达1.0cm3/100gAl的铝液的平衡氢气分压仅为7.34×104Pa，实践中一般铝合金含氢达0.2～0.3cm3/100g合金时铸件就会产生针孔(微细气泡孔隙)。3铝合金吸氢的动力学3.1固体铝合金吸氢的机理在氢气氛中，物理吸附于金属表面的H2，经激活发生离解H2→2H原子离解能约为4.619e

8、V(445687J/mol)而转变为化学吸附，然后氢原子由吸附层向金属晶格中迁移、扩散固溶。其氢原子由吸附层向金属晶格中迁移只能发生在具有晶格缺陷(有阱)和应力集中