鎂(Mg)合金是目前最輕的結(jié)構(gòu)金屬材料，在航空航天、軍事裝備和汽車等領(lǐng)域具有巨大的減重和節(jié)能潛力。除了高力學(xué)性能外，優(yōu)異的耐腐蝕性也是高性能結(jié)構(gòu)金屬材料的重要指標(biāo)。與其他結(jié)構(gòu)合金相比，鎂合金高的本征活性和差的膜層保護(hù)性嚴(yán)重阻礙了鎂合金的廣泛應(yīng)用。第二相強(qiáng)化（彌散強(qiáng)化或沉淀強(qiáng)化）通常是高強(qiáng)鎂合金的主要強(qiáng)化機(jī)理。許多研究已證明具有微/納米尺度的第二相顆粒能夠有效提高鎂合金強(qiáng)度；然而，大多數(shù)第二相具有比鎂基體更正的電位，這些作為陰極的第二相粒子和陽極鎂基體建立微電偶對，加速鎂基體溶解，產(chǎn)生點(diǎn)蝕進(jìn)而形成嚴(yán)重局部腐蝕。

近年來，人們發(fā)現(xiàn)堆垛層錯（SFs）/長周期堆垛有序結(jié)構(gòu)（LPSO）增強(qiáng)的鎂合金具有超高的力學(xué)性能和優(yōu)良的綜合性能。然而，在目前的腐蝕研究中，仍存在幾個關(guān)鍵問題尚未得到解決。近期，哈爾濱工程大學(xué)張景懷課題組聯(lián)合中科院長春應(yīng)用化學(xué)研究所楊強(qiáng)博士和日本東京大學(xué)管凱博士，基于對溶質(zhì)富集SFs和LPSO結(jié)構(gòu)的腐蝕機(jī)理研究，提出了構(gòu)建“均勻電位強(qiáng)化組織”設(shè)計高強(qiáng)耐蝕鎂合金的新思路。相關(guān)論文以“New insights on the different corrosion mechanisms of Mg alloys with solute-enriched stacking faults or long period stacking ordered phase”為題發(fā)表于Corrosion Science。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2022.110163

在這項(xiàng)工作中，研究者通過巧妙合金化設(shè)計，制備了一種新型Mg96.9Er2.4Zn0.6Zr0.1 (at.%) 合金，系統(tǒng)地研究和比較了強(qiáng)化結(jié)構(gòu)溶質(zhì)富集SFs（SESFs）和LPSO在該合金成分下的不同腐蝕行為。

一方面，首次證實(shí)納米SESFs為一種特殊弱陽極結(jié)構(gòu)，降低微電偶腐蝕傾向。通過合金化設(shè)計、熱擠壓和后續(xù)熱處理，在細(xì)晶（1~2 µm）組織中實(shí)現(xiàn)了納米間距I2型SESFs的形成，并實(shí)現(xiàn)了SESFs向LPSO的轉(zhuǎn)變。在相同合金成分下，成功制備了四種具有微觀特征的鎂合金，即和具有納米間距SESFs的擠壓態(tài)和HT400合金、具有SESFs+18R-LPSO混合結(jié)構(gòu)的HT450合金和具有全部LPSO相的HT500合金（圖1）。首次用掃描開爾文探針力顯微鏡（SKPFM）法在納米尺度上精確測量了弱陽極SFs（19-42 mV）和陰極LPSO相（48-80 mV）的電位差（圖2）。通過實(shí)驗(yàn)和理論計算的電子功函數(shù)（WF）驗(yàn)證了SKPFM測量SESFs和LPSO相的陽極/陰極性質(zhì)和具體PD值的可靠性（圖3）。此外，STEM直接觀察到SESFs作為弱陽極和LPSO作為陰極的局部微電偶反應(yīng)，為SKPFM測試和功函數(shù)計算結(jié)果提供了有力支持（圖4）。

圖1 Mg96.9Er2.4Zn0.6Zr0.1 (at.%) 合金的SESFs和LPSO結(jié)構(gòu)

圖2 鎂合金中SESFs和LPSO結(jié)構(gòu)的SKPFM分析

圖3 鎂合金中SESFs和LPSO結(jié)構(gòu)的功函數(shù)差計算模擬結(jié)果

圖4 短時腐蝕后SESFs和LPSO結(jié)構(gòu)的STEM和EDS圖

另一方面，證實(shí)SESFs作為弱陽極優(yōu)先腐蝕能夠提高腐蝕膜層保護(hù)性。這主要是因?yàn)楦缓⊥寥苜|(zhì)的SESFs作為弱陽極優(yōu)先腐蝕，易釋放更多的Er3+（圖5和圖6），大量的Er3+會捕獲和阻止有害陰離子（Cl-）通過腐蝕膜，電化學(xué)極化和阻抗測試表明膜層具有更好的鈍化效果（圖7）。而對于含有LPSO相鎂合金而言，作為陽極的鎂基體優(yōu)先受到微電偶腐蝕，釋放較少的Er3+，這使得LPSO增強(qiáng)鎂合金的腐蝕膜保護(hù)性不如SESFs增強(qiáng)鎂合金。基于SESFs和LPSO結(jié)構(gòu)的獨(dú)特作用，揭示了以SESFs為核心的低速率均勻腐蝕微觀機(jī)理（圖8）。

圖5 HT400合金和HT500合金的XPS腐蝕膜層分析

圖6 HT400合金和HT500合金的腐蝕膜層分析

圖7 四種合金浸泡1h和12h的電化學(xué)測試結(jié)果

圖8 含SFs和LPSO結(jié)構(gòu)的鎂合金的腐蝕機(jī)理圖

總之，由于良好強(qiáng)化效果和弱陽極效應(yīng)，含SESFs鎂合金與類似加工狀態(tài)的其他鎂合金相比，具有優(yōu)異強(qiáng)度和耐腐蝕性組合（圖9）。因此，構(gòu)建含有納米間距弱陽極SESFs結(jié)構(gòu)的細(xì)晶組織是設(shè)計高強(qiáng)度耐蝕鎂合金的新策略。

圖9 類似工藝制備的鎂合金腐蝕速率-屈服強(qiáng)度圖