树脂砂差压铸造过程的镁合金氧化行为与起燃机理.pdf

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1、博士学位论文树脂砂差压铸造过程的镁合金氧化行为与起燃机理THEOXIDATIONANDIGNITIONMECHANISMSOFMAGNESIUMALLOYSDURINGRESIN-SANDDIFFERENTIALPRESSURECASTING赵信毅哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号:TG292学校代码:10213国际图书分类号:669密级:公开工学博士学位论文树脂砂差压铸造过程的镁合金氧化行为与起燃机理博士研究生:赵信毅导师:孙剑飞教授副导师:宁志良副教授申请学位:工学博士学科:材料加工工程所在单位:材料科

2、学与工程学院答辩日期:2018年6月授予学位单位:哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG292U.D.C.:669DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringTHEOXIDATIONANDIGNITIONMECHANISMSOFMAGNESIUMALLOYSDURINGRESIN-SANDDIFFERENTIALPRESSURECASTINGCandidate:ZhaoXinyiSupervisor:Prof.SunJianfeiAssociateSuper

3、visor:Asso.Prof.NingZhiliangAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpeciality:MaterialsProcessingEngineeringAffiliation:SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefence:June,2018Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology摘要摘要为了满足航空航天领域不断提

4、高的轻量化要求,镁合金构件尺寸趋于大型化,结构功能一体化、复杂化,必需采用树脂砂工艺才能保证尺寸精度和铸件表面质量。其中应用最广泛的就是PEP-SET树脂砂。然而,PEP-SET树脂砂型粘结剂在铸造过程中经受高温,发生热分解释放出氧化性气氛,引起镁合金熔体在凝固过程中燃烧。反重力铸造过程需要铸件在密闭压力罐内完成凝固,因此铸件起燃几率更大,还可能造成爆炸,危害更加严重。为了解决PEP-SET树脂砂铸造过程的燃烧问题,本文分析了升温条件对PEP-SET树脂砂热解动力学及逸出气体规律的影响,系统研究了各系镁合金在PEP

5、-SET树脂砂型腔气氛下的氧化行为,提出了熔体表面保护性氧化层的应力破裂机制,明确了铸件起燃条件与铸造工艺参数之间的联系。采用热重-红外光谱联用、在线红外检测等方法,掌握了PEP-SET树脂砂热解规律。升温热解过程分为三个阶段:第一阶段为室温-215℃,主要为水蒸气挥发和粘结剂少量分解;第二阶段为215℃-315℃,开始出现NO,且含氧气氛含量增加;第三阶段为315℃-432℃,含氮气氛浓度升高,树脂砂溃散。PEP-SET树脂砂平衡热解的高温热解阶段激活能和指前因子的估计值分别为29.9kJ/mol,25.2s-1

6、;低温热解阶段的激活能和指前因子分别为6.40kJ/mol,0.017s-1。500℃以下热冲击时,PEP-SET树脂砂释放气体缓慢,没有明显峰值。随着热冲击温度升高,释放气体峰值越来越明显,但是释放气体始终按一定顺序逸出:首先出现逸出峰值的是CO、CO2和NO,之后是CH4和C2H6,当CH4和C2H6达到峰值时,CO2浓度降低到最低值,同时NO达到第二个峰值。利用自主设计的氧化实验装置,实现了镁合金熔体型腔内氧化、起燃过程实时观察。系统分析了ZM2、ZM5、ZM6、WE43合金熔体在树脂砂气氛下的氧化行为。其中

7、WE43合金熔体表面氧化层保护性最佳,ZM6次之,尽管ZM2合金含有少量稀土Ce,但是ZM2最易起燃。镁合金抗氧化性不但与活性元素有关,还与活性元素在基体中的固溶度以及其对合金凝固温度的影响有关。ZM6合金熔体表面氧化层主要成分为MgO和Nd2O3的混合物,Nd2O3能够有效抑制Mg向外扩散,对熔体起到保护作用。随着氧化进行,ZM6氧化层与熔体界面位置出现Nd、Zn元素富集,而Zr元素向熔体内部上坡扩散。WE43熔体表面氧化层生长经历三个阶段。初期快速形成三层式氧化层结构:外层主要为Y2O3、MgO和ZrO2,中间

8、层为MgO,内层主要为Y2O3。第二阶-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文段为中间层MgO的生长,生长过程受到氧元素在Y2O3中扩散速率的控制。第三阶段为熔体内Y元素还原中间层MgO。以上氧化过程中,表面氧化层均能够对熔体起到保护作用。研究了气氛与热环境耦合条件下的熔体起燃机理。阐明了保护性氧化层的破裂是镁合金熔体在型腔内起燃的直接原因,并提出了氧化层破裂的

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1、博士学位论文树脂砂差压铸造过程的镁合金氧化行为与起燃机理THEOXIDATIONANDIGNITIONMECHANISMSOFMAGNESIUMALLOYSDURINGRESIN-SANDDIFFERENTIALPRESSURECASTING赵信毅哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号:TG292学校代码:10213国际图书分类号:669密级:公开工学博士学位论文树脂砂差压铸造过程的镁合金氧化行为与起燃机理博士研究生:赵信毅导师:孙剑飞教授副导师:宁志良副教授申请学位:工学博士学科:材料加工工程所在单位:材料科

2、学与工程学院答辩日期:2018年6月授予学位单位:哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG292U.D.C.:669DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringTHEOXIDATIONANDIGNITIONMECHANISMSOFMAGNESIUMALLOYSDURINGRESIN-SANDDIFFERENTIALPRESSURECASTINGCandidate:ZhaoXinyiSupervisor:Prof.SunJianfeiAssociateSuper

3、visor:Asso.Prof.NingZhiliangAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpeciality:MaterialsProcessingEngineeringAffiliation:SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefence:June,2018Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology摘要摘要为了满足航空航天领域不断提

4、高的轻量化要求,镁合金构件尺寸趋于大型化,结构功能一体化、复杂化,必需采用树脂砂工艺才能保证尺寸精度和铸件表面质量。其中应用最广泛的就是PEP-SET树脂砂。然而,PEP-SET树脂砂型粘结剂在铸造过程中经受高温,发生热分解释放出氧化性气氛,引起镁合金熔体在凝固过程中燃烧。反重力铸造过程需要铸件在密闭压力罐内完成凝固,因此铸件起燃几率更大,还可能造成爆炸,危害更加严重。为了解决PEP-SET树脂砂铸造过程的燃烧问题,本文分析了升温条件对PEP-SET树脂砂热解动力学及逸出气体规律的影响,系统研究了各系镁合金在PEP

5、-SET树脂砂型腔气氛下的氧化行为,提出了熔体表面保护性氧化层的应力破裂机制,明确了铸件起燃条件与铸造工艺参数之间的联系。采用热重-红外光谱联用、在线红外检测等方法,掌握了PEP-SET树脂砂热解规律。升温热解过程分为三个阶段:第一阶段为室温-215℃,主要为水蒸气挥发和粘结剂少量分解;第二阶段为215℃-315℃,开始出现NO,且含氧气氛含量增加;第三阶段为315℃-432℃,含氮气氛浓度升高,树脂砂溃散。PEP-SET树脂砂平衡热解的高温热解阶段激活能和指前因子的估计值分别为29.9kJ/mol,25.2s-1

6、;低温热解阶段的激活能和指前因子分别为6.40kJ/mol,0.017s-1。500℃以下热冲击时,PEP-SET树脂砂释放气体缓慢,没有明显峰值。随着热冲击温度升高,释放气体峰值越来越明显,但是释放气体始终按一定顺序逸出:首先出现逸出峰值的是CO、CO2和NO,之后是CH4和C2H6,当CH4和C2H6达到峰值时,CO2浓度降低到最低值,同时NO达到第二个峰值。利用自主设计的氧化实验装置,实现了镁合金熔体型腔内氧化、起燃过程实时观察。系统分析了ZM2、ZM5、ZM6、WE43合金熔体在树脂砂气氛下的氧化行为。其中

7、WE43合金熔体表面氧化层保护性最佳,ZM6次之,尽管ZM2合金含有少量稀土Ce,但是ZM2最易起燃。镁合金抗氧化性不但与活性元素有关,还与活性元素在基体中的固溶度以及其对合金凝固温度的影响有关。ZM6合金熔体表面氧化层主要成分为MgO和Nd2O3的混合物,Nd2O3能够有效抑制Mg向外扩散,对熔体起到保护作用。随着氧化进行,ZM6氧化层与熔体界面位置出现Nd、Zn元素富集,而Zr元素向熔体内部上坡扩散。WE43熔体表面氧化层生长经历三个阶段。初期快速形成三层式氧化层结构:外层主要为Y2O3、MgO和ZrO2,中间

8、层为MgO,内层主要为Y2O3。第二阶-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文段为中间层MgO的生长,生长过程受到氧元素在Y2O3中扩散速率的控制。第三阶段为熔体内Y元素还原中间层MgO。以上氧化过程中,表面氧化层均能够对熔体起到保护作用。研究了气氛与热环境耦合条件下的熔体起燃机理。阐明了保护性氧化层的破裂是镁合金熔体在型腔内起燃的直接原因,并提出了氧化层破裂的

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