镁合金在介质中腐蚀及热氧化机理的研究

摘要

镁合金有许多独特的优点：密度低、比强度和比刚度高、原料丰富，且机械加工性能好、可回收。从Mg 合金的这些突出特点可以预见它将会有很好的应用前景。镁合金高温性能差、耐蚀性差限制了镁合金的应用与发展。为进一步提高镁合金高温抗氧化性能和抗腐蚀性能，本文结合国家自然科学基金项目“镁合金强化及腐蚀机理的电子理论研究”，利用Materials Studio软件中基于密度泛函理论的赝势平面波方法(CASTEP)模块对介质对镁及镁合金腐蚀机理(包括在介质中腐蚀和热氧化腐蚀)进行研究，发现：1)水分子在Mg(0001)表面吸附时，水分子中氧原子与表面成键，顶位吸附取倾斜附构时最稳定，吸附为化学吸附。水吸附于镁表面后，镁表面电子向水分子上转移，使镁表面电位向正方向移动，降低镁表面的活性，产生钝化，生成MgO 或Mg(OH)2，对镁有一定的保护作用。水分子吸附后键长增长，键角增大，水中各原子间作用减弱，可与Mg 形成水合分子或反应生成MgO、或Mg(OH)2，从而使镁发生钝化。2)氯离子吸附于六方穴位，也属化学吸附；
　　 氯离子吸附后，有0.44个电子转移到镁表面，使得镁表面带负电，其腐蚀电位负移，加速镁的腐蚀；由于氯离子与表面镁形成较强的化学键，会导致MgCl2 生成，这样镁在含氯离子水溶液中容易发生腐蚀。通过比较水分子和氯离子在Mg(0001)表面吸附可以发现：在含氯离子水溶液中，氯离子优先吸附于镁表面，且与镁的结合力也比水强得多，使得镁更容易发生腐蚀。3)氧原子也吸附于六方位，有1.23个电子从镁表面转移到氧原子上，使镁表面电位向正方向移动，使镁发生氧化生成MgO。4)氧原子在掺杂La的Mg(0001)表面吸附时，在六角位吸附时最稳定。氧原子与表面Mg、La 成键，且与La 相互作用强，阻碍了氧向镁体内扩散。吸附过程中表面镁原子的电子向氧原子转移，使镁表面电位向正方向移动，会使镁产生氧化。掺杂La 后氧化膜由原来的全部是MgO 变为部分被La2O3 代替，即生成了复合氧化膜，La2O3 致密能阻止氧原子进一步向体内扩散，阻止镁的进一步氧化，起到阻燃的作用。