mg-20cu-8sn和mg-15ca-5sn储热合金的研究

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1、Mg-20Cu-8Sn和Mg_15Ca_5Sn储热合金的研究范晓明熊映王旭坤程小奇武汉理工大学材料科学与工程学院以自主设计的镁棊储热材料Mg-20Cu-8Sn和Mg_15Ca_5Sn合金为研宄对象，利用排水法测定了其密度，结合金相显微镜（0M）、X射线衍射仪（XRD）、电子探针（EPMA）等方法对其金相组织、物相组成进行了表征，并通过差示扫描量热仪（DSC）分析了其相变温度、相变潜热。结果表明，Mg-20Cu-8Sri和Mg-15Ca-5Sn合金的密度分别为2.133和1.695g/cm3;前者主要相组成为a-

2、Mg+CuMg2+Mg2Sn,后者为a-Mg+MgCa2+Mg2Sn;其相变温度和相变潜热值分别为462.42、517.37'C和136.4、195.lj/go关键词：镁基合金;储热材料;热物性能;但是，由于高温铝液对铁质容器有较大的腐蚀性而存在相容性问题。而镁类似于铝，并且在40(T600°C范围内，Mg-Fe在热力学上稳定存在而不发生混溶边1，故有望成为较好的金属基相变储热材料。一般而言，共晶合金具有较高的熔化相变焓，提高熔化嫡值高的元素比例并增加组元数，可以提高共晶合金体系的熔化相变焓［12,13］。对于

3、镁基储热材料，Cu能提高其密度，Sn可降低熔点，Ca能提高抗氧化和抗燃性能，因此，针对目前国内外镁基储热合金研究较少的现状，根据镁合金相图，自主设计了Mg-20Cu-8Sn和Mg-15Ca-5Sn两种储热材料，分析了其微观组织和相组成，测试了相变温度和相变潜热，旨在为镁棊合金相变储热材料的应用提供参考。1试验材料及方法釆用纯Mg锭(99.95%)、纯Sn(99.8%),以及Mg-30Ca、Mg-30Cu中间合金制备Mg-20Cu-8Sn和Mg-15Ca-5Sn合金。合金熔炼在SG2-5-10井式电阻炉内的石墨坩

4、埚屮进行，熔炼温度为71(TC,浇注温度为50(TC，保护熔剂为覆盖剂ZS-MF1,精炼除渣剂为ZS-MJ1;采用阿基米德排水法测试合金的密度;采用01ympus-BHM363U型金相显微镜观察合金的组织形貌(腐蚀剂采用体积分数为4%的硝酸酒精溶液)：采用D/MAX-RB型X射线衍射仪和JXA-8230电子探针分析仪测量合金的相组成和元素组成;采用Pyris-1功率补偿型差示扫描量热仪测量合金的相变潜热和相变温度。2试验结果及讨论2.1合金密度采用精度为lmg的AL204分析天平分别测量合金试样在空气和蒸馏水中

5、的质量，根据排水法测试合金密度，计算公式为[M]:式中，mQ，nh分别为试样在空气和蒸馏水中的质量，g;P水=0.9982g/cm,P=0.0012g/cm。试验合金的密度测量结果见表1。表1两种镁基合金的密度测量及计算结果可以看出，1号合金的密度比2号合金的密度高，这是因为Cu对合金密度的影响。Cu的密度（Pcu=8.96g/cm）约为Mg（pMg=l.74g/cm）、Ca（PCa=l.55g/cm）密度的5倍，IlCu的相对含量较高。2.2合金的显微组织分析2.2.1合金的XRD分析图1为W种合金的XRD图

6、谱。可以看出，W种合金衍射峰最强的都是Mg,衍射角都为36.7°;其次，衍射峰较强的为Mg2Sn，两者的衍射角分别为:22.9°（1号合金）和34.5°（2号合金）；此外，1号合金中还有完整的CuMg2的三强峰。图1两种合金的XRD图谱2.2.2合金的显微组织分析图2为Mg-20Cu-8Sn合金和Mg_l5Ca_5Sn合金的显微组织。由图2a结合Mg-Cu-Sn三元合金相图和XRD分析可知，Mg为初生相a-Mg,在凝固过程屮最先析出。随后，当温度降至Mg-Sn的共晶温度时，析出Mg2Sn相。当温度降至三元共晶温

7、度（460°C左右）时，发生共晶反应:L->CuMg2+Mg2Sn+ci-Mg。这些相主要形成了盖薇状（初晶组织）和连续或不连续的网状结构（共晶组织）。根据图2b和Mg-Ca、Mg-Sn二元合金相图及XRD分析结果可知，2号合金中的Mg相也为初生a-Mg相，在凝固过程中最先析出。随后，当温度降至561'C左右时,幵始析出Mg2Sn相；当温度继续下降至Mg-Ca共晶温度时，发生共晶反应:L->a-Mg+CaMg2。这些相主要形成了鱼骨状（初晶组织）和晶间、基体间的层片状结构（共晶组织）。图2Mg-20Cu-8Sn

8、合金和Mg_15Ca_5Sn合金的显微组织2.2.3合金的EPMA分析为进一步分析各金相显微组织的相组成，采用电子探针对合金试样的不同区域进行了成分分析，结果见图3和表2。图3Mg-20Cu-8Sn合金和Mg_15Ca_5Sn合金的EPMA电子图像由图3和表2可知，1号合金中的A点所在区域为基体u-Mg相，同时检测出含有少量的Cu和Sn,应该是a-Mg相中溶解有少量的Cu和Sn;a-M