Mg-RE-Zn系镁合金中LPSO相的调控及其对腐蚀行为的影响

摘要

镁合金是目前最轻的商用金属结构材料，与铝和钢相比，镁由于密度低、质量轻而具有明显的结构性能优势。但是，镁的标准电极电位为-2.37V，是工程应用中最活泼的金属，故镁合金在潮湿的空气或水溶液中均会遭受严重的电化学腐蚀。镁在空气中易生成一层很薄的氧化膜（MgO），该膜疏松多孔，脆性较大，远不如铝及铝合金的氧化膜致密，因而耐蚀性很差，制约了镁合金在工程领域的广泛应用。Mg-RE-Zn镁合金是当前镁合金领域的一个研究热点，其主要原因是合金中存在的具有特殊结构的 LPSO相可大幅度提高镁合金的力学性能，因而有望应用于工程领域。但在Mg-RE-Zn镁合金实际应用前，其较差的耐蚀性都是首要研究和解决的问题。
　　本文选择Mg-Zn-Y和Mg-Zn-Gd两种常见的LPSO相镁合金，并在这两种合金的基础上尝试添加少量的合金元素 Sn，通过成分设计、热处理工艺和合金化等对 LPSO相的含量、形貌和分布进行调控，并研究其对耐腐蚀性能的影响，以期为高强高耐蚀镁合金的成分设计及组织调控提供参考。
　　在研究LPSO相镁合金之前，我们分别研究了LPSO相的形成元素Zn、Y和Gd对镁合金耐腐蚀性能的影响。这三种元素与Mg形成的第二相均为阴极相，促进微电偶腐蚀。MgZn2相的含量对Mg-Zn合金的耐腐蚀性能的影响并不大。固溶于镁基体的Y可参与氧化膜的形成，提高Mg-Y合金的耐蚀性。Gd固溶于镁基体也能提高Mg-Gd合金的耐蚀性。但对于Mg-Gd合金总体来说，其自腐蚀电流密度比纯镁高了一个数量级。
　　在Mg-Zn-Y合金中，我们设计了铸态的Mg(100-7x/3)ZnxY(4x/3)(x=0.6、1、2、3 at.％)合金，并对Mg95.33Zn2Y2.67合金进行了挤压和热处理。铸态下，合金只有LPSO相，其含量随Zn、Y含量的增加而增加，该相具有与Mg-Al合金中的β-Mg17Al12相类似的作用，既可作为阴极相加速腐蚀，也可作为腐蚀壁垒阻碍腐蚀。Mg95.33Zn2Y2.67合金中LPSO相的尺寸较大，分布较连续，可阻碍腐蚀。Mg93Zn3Y4合金中的LPSO相含量过高，层状及块状LPSO相连接成片，腐蚀过程中易脱落，使得LPSO相的阻挡作用有所减弱。铸态Mg95.33Zn2Y2.67合金经热处理、挤压和挤压热处理后，耐蚀性得到不同程度地提高,而挤压热处理可显著提高合金的耐蚀性。
　　在Mg-Zn-Gd合金中，我们设计了铸态的Mg(100-7x/3)ZnxGd(4x/3)（x=0.6、1、2 at.%）合金，并进行了不同工艺的热处理。铸态下，合金中只有W相，该相具有与Mg-Al合金中的β-Mg17Al12相类似的作用，既可作为阴极相加速腐蚀，也可作为腐蚀壁垒阻碍腐蚀。热处理后合金的耐蚀性均得到不同程度地提高，尤其是时效处理（T6和T6F）后的合金，其耐蚀性分别提高了98.5%（T6）和97%（T6F），主要得益于晶粒内部析出的层状LPSO相。Mg98.6Zn0.6Gd0.8和Mg97.67Zn1Gd1.33合金经T6处理后，基体内部析出了少量的层状 LPSO相，但都远低于 Mg95.34Zn2Gd2.66合金中的LPSO相含量，合金的耐蚀性随LPSO相含量的增加而提高。
　　最后，我们在Mg95.33Zn2Y2.67和Mg95.34Zn2Gd2.66合金的基础上添加少量的 Sn元素。Sn的添加有利于促进Mg95.33Zn2Y2.67合金中的LPSO相以层片状的形式存在，使得腐蚀产物层与LPSO相形成的保护层更加致密，有效阻碍阳极镁溶解，耐蚀性得到较大程度地提高。而Sn虽然可促进Mg95.34Zn2Gd2.66合金中LPSO相的形成，但Sn同时与Gd结合，形成大块Mg-Zn-Gd-Sn四元相，该相作为阴极相促进阴极析氢反应，降低合金的耐蚀性。

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1 绪 论

1.1 前言

1.2 镁合金的腐蚀研究现状

1.3 合金化影响镁合金的腐蚀

1.4 Mg-RE-Zn镁合金研究现状

1.5 本文研究目的和主要内容

2 元素(Zn、Y、Gd)对镁合金耐腐蚀性能的影响

2.1 引言

2.2 实验过程与测试方法

2.3 实验结果与讨论

2.4 本章小结

3 Mg-Zn-Y LPSO相合金腐蚀行为研究

3.1 引言

3.2 实验过程与测试方法

3.3 实验结果与讨论

3.4 本章小结

4 Mg-Zn-Gd LPSO相合金腐蚀行为研究

4.1 引言

4.2 实验过程与测试方法

4.3 实验结果与讨论

4.4 本章小结

5 Sn对Mg-RE-Zn LPSO相的调控及腐蚀行为研究

5.1 引言

5.2 实验过程与测试方法

5.3 实验结果与讨论

5.4 本章小结

6 结 论

致谢

参考文献

附录

A．作者攻读硕士学位期间发表的论文

B．作者攻读硕士学位期间获得的奖励