鋁合金的吸氫及析氫過程機理

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1、莂蠆袁膅蒄蒂螇膄膄蚇蚃膃芆蒀羂節(jié)莈蚅袈節(jié)蒁蒈螄芁膀蚄螀袇莃薇蚆袆蒅螂羄袆膄薅袀裊芇螀螆襖荿薃螞羃蒁莆羈羂膁薁袇羈莃莄袃羀蒆蝕蝿羀膅蒃蚅罿羋蚈羄羈莀蒁袀羇蒂蚆螆肆膂葿蟻肅芄蚅薇肄蕆蕆羆肄膆螃袂肅艿薆螈肂莁螁蚄肁蒃薄羃肀膃莇衿腿芅薂螅膈莇蒞蟻膈肇薁蚇膇艿蒃羅膆莂蠆袁膅蒄蒂螇膄膄蚇蚃膃芆蒀羂節(jié)莈蚅袈節(jié)蒁蒈螄芁膀蚄螀袇莃薇蚆袆蒅螂羄袆膄薅袀裊芇螀螆襖荿薃螞羃蒁莆羈羂膁薁袇羈莃莄袃羀蒆蝕蝿羀膅蒃蚅罿羋蚈羄羈莀蒁袀羇蒂蚆螆肆膂葿蟻肅芄蚅薇肄蕆蕆羆肄膆螃袂肅艿薆螈肂莁螁蚄肁蒃薄羃肀膃莇衿腿芅薂螅膈莇蒞蟻膈肇薁蚇膇艿蒃羅膆莂蠆袁膅蒄蒂螇膄膄蚇蚃膃芆蒀羂節(jié)莈蚅

2、袈節(jié)蒁蒈螄芁膀蚄螀袇莃薇蚆袆蒅螂羄袆膄薅袀裊芇螀螆襖荿薃螞羃蒁莆羈羂膁薁袇羈莃莄袃羀蒆蝕蝿羀膅蒃蚅罿羋蚈羄羈莀蒁袀羇蒂蚆螆肆膂葿蟻肅芄蚅薇肄蕆蕆羆肄膆螃袂肅艿薆螈肂莁螁蚄肁蒃薄羃肀膃莇衿腿芅薂螅膈莇蒞蟻膈肇薁蚇膇艿蒃羅膆莂蠆袁膅蒄蒂螇膄膄蚇蚃膃芆蒀羂節(jié)莈蚅袈節(jié)蒁蒈螄芁膀蚄螀袇莃薇蚆袆蒅螂羄袆膄薅袀裊芇螀螆襖荿薃螞羃蒁莆羈羂膁薁袇羈莃莄袃羀蒆蝕蝿羀膅蒃蚅罿羋蚈羄羈莀蒁袀羇蒂蚆螆肆膂葿蟻肅芄蚅薇肄蕆蕆羆肄膆螃袂肅艿薆螈肂莁螁蚄肁蒃薄羃肀膃莇衿腿芅薂螅在鋁合金熔鑄過程中，合金液總會不同程度地與相當(dāng)數(shù)量的O2、H2、N2、CO、CO2、H2O或其他碳

3、氫化合物(CmHn)、硫化物等接觸。按照熱力學(xué)規(guī)律，它們將發(fā)生各種可能的反應(yīng)而導(dǎo)致合金狀態(tài)的改變，影響合金的質(zhì)量。通過了解和掌握它們在鋁合金中反應(yīng)的熱力學(xué)行為及過程機理，便能有效地采取防、排、溶等措施以保證其合金質(zhì)量。1鋁與氣體反應(yīng)的熱力學(xué)借助某些復(fù)雜氣體的生成反應(yīng)，可求出等溫等壓下鋁與一些氣體發(fā)生反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)。注：*計算數(shù)據(jù)來源于文獻［1］、［2］、［3］體反應(yīng)的趨勢很大。因此，既使氣體分壓很小，反應(yīng)也會立即發(fā)生。例如，生成γ-Al2O3的反應(yīng)在po2大于4.71×10-41Pa就能進行(1000K時)；1000K時水蒸汽對鋁液的氧化平

4、衡分壓僅為2.624×10-14Pa而空氣中水的平均分壓為758Pa，是鋁液氧化平衡水蒸汽分壓的2.89×1016倍。其它氣體亦能在較低分壓下與鋁液發(fā)生反應(yīng)，在1000K時PCH4大于26Pa時反應(yīng)5即能正向進行；CO，CO2接觸鋁液其分壓力分別大于1.75×10-10Pa和5.75×1023Pa時即能生成碳化鋁和氧化鋁；生成AlN的反應(yīng)在N2的分壓大于1.689×10-10Pa條件下就能發(fā)生。然而從表一所列反應(yīng)8和反應(yīng)10可以看出碳化鋁和氮化鋁在潮濕的空氣中極不穩(wěn)定，只要空氣中水蒸汽分壓達到1Pa它們又都轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸X和CH4和NH3。由此可

5、見鋁與氣體的反應(yīng)主要生成氧化鋁；而與含氫氣體的反應(yīng)形成的原子氫則溶入熔融態(tài)的鋁中，是鋁合金吸氫的主要途徑。2鋁合金吸氫的熱力學(xué)2.1原子氫在鋁液中的溶解度氫在鋁液中的溶解過程可表達為根據(jù)熱力學(xué)第二定律，溶解平衡關(guān)系為2.2合金元素對氫溶解度的影響從表二中的A值變化可以看出，隨著鋁中Cu和Si含量的增加，同溫度下氫的溶解度減少，隨著Mg含量的增加溶解度增大。進一步研究發(fā)現(xiàn)，那些電負性小于Al的元素如Mg、Ca、Na、K等均能增加氫在鋁液中的溶解度，反之則降低氫在鋁液中的溶解度。這是因為氫原子的電負性為2.1，鋁原子的電負性為1.5，而Si原子的

6、電負性為1.8，Cu原子的則為1.9，所以鋁液中Si和Cu原子的存在將降低氫和鋁的化學(xué)親和力，使氫在鋁液中的活度升高，飽和濃度降低。Mg(電負性為1.2)使氫鋁親和力增強從而降低了氫在鋁液中的活度，使氫在鋁液中的溶解度升高。然而電負性都為1.5的Ti、Mn就不會改變氫在鋁液中的溶解度。無數(shù)實驗結(jié)果也都證明了這一認識。2.3潮濕環(huán)境對氫在鋁液中溶解度的影響在潮濕的介質(zhì)中，除鋁的氧化速度增加外，氫在鋁液中的溶解度也將極大地增加，見表三。表3不同濕度氫氣氛下氫在合金液中的溶解度［7］合金及其成份(%質(zhì)量)氫的溶解度(cm3/100g合金)P總=10

7、1325Pa干氫氣濕氫氣(PH2=32424Pa)99.99%Al0.9003.890Al+5%Si0.6003.530這也可由Al—H2O—H2平衡物系的分析得出，反應(yīng)由(3)式可見即便水蒸汽的分壓很低，其氫分壓也能達到非常巨大的量。然而與含氫量達1.0cm3/100gAl的鋁液的平衡氫氣分壓僅為7.34×104Pa，實踐中一般鋁合金含氫達0.2～0.3cm3/100g合金時鑄件就會產(chǎn)生針孔(微細氣泡孔隙)。3鋁合金吸氫的動力學(xué)3.1固體鋁合金吸氫的機理在氫氣氛中，物理吸附于金屬表面的H2，經(jīng)激活發(fā)生離解H2→2H原子離解能約為4.619e

8、V(445687J/mol)而轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)吸附，然后氫原子由吸附層向金屬晶格中遷移、擴散固溶。其氫原子由吸附層向金屬晶格中遷移只能發(fā)生在具有晶格缺陷(有阱)和應(yīng)力集中