第一作者：宋東東

通訊作者：萬紅霞

通訊單位：中國(guó)石油大學(xué)(北京)

CSTR: 32134.14.1005.4537.2023.029

DOI: 10.11902/1005.4537.2023.029

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本文采用析氫、失重、電化學(xué)阻抗譜(EIS)、動(dòng)態(tài)電位極化測(cè)試、XRD和SEM等方法對(duì)比研究了軋制前后ZM5鎂合金腐蝕性能和微觀組織的變化，并通過第一性原理分析研究了合金不同微觀組織的電子功函數(shù)，探究軋制對(duì)ZM5鎂合金腐蝕性能的影響。結(jié)果表明，軋制使ZM5發(fā)生明顯的擇優(yōu)取向，軋制后ZM5的腐蝕失重、析氫量都顯著下降，而極化電阻明顯上升，表明軋制態(tài)鎂合金的耐蝕性優(yōu)于鑄造鎂合金。模擬計(jì)算結(jié)果表明α相的重排提高了軋制合金的電子功函數(shù)。

背景介紹

鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，近年來在航空航天、汽車等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域受到越來越多的重視。隨著裝備性能要求的不斷提升，提高鎂合金力學(xué)性能一直是研究的熱點(diǎn)。塑性變形已被成功用于改善力學(xué)性能，如軋制、擠壓和鍛造已成功用于制造細(xì)晶鎂合金。然而，鎂合金在應(yīng)用中，尤其是在惡劣的腐蝕環(huán)境中，耐蝕性較差。如何在提高鎂合金的力學(xué)性能時(shí)，并確保良好耐腐蝕性能是研究者一直關(guān)注的焦點(diǎn)。雖然關(guān)于工藝對(duì)鎂合金腐蝕性能影響的研究較多，但關(guān)于軋制工藝中的擇優(yōu)取向作用的研究較少。擇優(yōu)取向?qū)Ω纳奇V合金的力學(xué)性能有重要作用，其對(duì)鎂合金耐蝕性的影響有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

本文亮點(diǎn)

本文采用失重、電化學(xué)阻抗譜(EIS)和動(dòng)態(tài)電位極化測(cè)試等方法研究了ZM5鎂合金軋制前后的腐蝕行為。通過第一性原理計(jì)算，研究了擇優(yōu)取向的作用。通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算說明了擇優(yōu)取向?qū)︽V合金腐蝕行為的影響，以期為工藝優(yōu)化提供有效依據(jù)。

圖文解析

圖1 本文圖文摘要

ZM5鎂合金鑄態(tài)時(shí)，β相(亮)沿α相(暗)晶界析出，β相在空間上呈網(wǎng)狀分布。通過掃描電鏡觀察，鑄態(tài)合金的晶粒尺寸在50~100μm左右。軋制后，小β相顆粒簇沿軋制方向排列，并觀察到一些明亮的金屬間化合物。軋制后的ZM5鎂合金形態(tài)可能受到加工工藝影響導(dǎo)致金屬間化合物的斷裂。鑄錠與軋制后的ZM5鎂合金在結(jié)晶學(xué)取向上存在差異。軋制后的ZM5鎂合金出現(xiàn)了較高的(0002)取向峰，表明動(dòng)態(tài)再結(jié)晶優(yōu)先服從(0002)取向，軋制后的ZM5鎂合金出現(xiàn)了(101?1)取向峰。從極化曲線的形狀看，鑄態(tài)和軋制態(tài)ZM5鎂合金的形狀相似，陽(yáng)極均表現(xiàn)出活性溶解的狀態(tài)。相比鑄態(tài)，軋制態(tài)ZM5鎂合金的極化曲線整體往左上進(jìn)行了移動(dòng)，軋制態(tài)表現(xiàn)出較好的耐蝕性。通過對(duì)極化曲線的腐蝕電位、腐蝕電流密度和Tafel斜率進(jìn)行擬合，其結(jié)果如表1所示，可以發(fā)現(xiàn)，鑄態(tài)ZM5鎂合金的腐蝕電位低于軋制態(tài)，說明鑄態(tài)ZM5鎂合金腐蝕傾向高于軋制態(tài)ZM5鎂合金。從腐蝕電流密度可以看出，鑄態(tài)ZM5鎂合金腐蝕電流密度明顯高于軋制態(tài)，說明ZM5鎂合金軋制后耐蝕性明顯增強(qiáng)。且軋制試樣的腐蝕電位明顯高于鑄造試樣。兩種試樣的耐蝕性下降趨勢(shì)對(duì)應(yīng)于:扎制>鑄件。

鎂合金腐蝕是由于其失去電子發(fā)生陽(yáng)極溶解。因此，鎂合金基體的電子損失閾值決定其抗腐蝕能力。當(dāng)Mg合金電子損失受到抑制時(shí)，其耐蝕性就會(huì)提高。功函數(shù)可以用來衡量電子損失的能力。在許多研究中，功函數(shù)被用于評(píng)價(jià)合金的耐蝕性。所以，功函數(shù)越高，鎂合金就越不容易失去電子。功函數(shù)可以通過第一性原理計(jì)算得到，一般由真空電勢(shì)與鎂合金的費(fèi)米能級(jí)之差得到。為了獲得鑄態(tài)和軋制態(tài)ZM5鎂合金表面功函數(shù)，利用第一性原理對(duì)其表面功函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)XRD等對(duì)鑄態(tài)和軋制態(tài)微觀結(jié)構(gòu)的分析可知，鑄態(tài)ZM5鎂合金以(101?1)為主要結(jié)晶取向，對(duì)于軋制后的ZM合金，(0002)為主要結(jié)晶取向，分別建立了鑄態(tài)和軋制態(tài)的分子模型，采用平板模型對(duì)金屬表面進(jìn)行模擬。(0002)的功函數(shù)比(101?1)高約18%。通過對(duì)鑄態(tài)和軋制態(tài)ZM5鎂合金表面功函數(shù)的計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)軋制后ZM5鎂合金表面電子損失閾值顯著提高。軋制后ZM5鎂合金耐蝕性提高。

總結(jié)

(1)ZM5鎂合金軋制后力學(xué)性能有所提高，微觀組織觀察表面軋制工藝細(xì)化了ZM5鎂合金的晶粒，并形成了擇優(yōu)取向。

(2)ZM5鎂合金軋制后在3.5wt% NaCl溶液中腐蝕失重、析氫量明顯下降，腐蝕電位、極化電阻顯著上升，表明軋制工藝有效提升了ZM5鎂合金的耐腐蝕性能。

(3)ZM5鎂合金軋制后的擇優(yōu)取向是影響其耐腐蝕性能的重要因素。不同取向間功函數(shù)的差異是導(dǎo)致耐蝕性變化的原因，通過模擬計(jì)算表明軋制后鎂合金主要取向的電子功函數(shù)高于鑄態(tài)，使其具有更好的耐蝕性。

作者簡(jiǎn)介

宋東東，博士，副教授，任職于華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)青年編委，從事金屬材料環(huán)境腐蝕機(jī)理與防護(hù)新工藝開發(fā)工作，包括海洋與工業(yè)污染等苛刻大氣環(huán)境下金屬及其表面防護(hù)涂層環(huán)境腐蝕損傷機(jī)理研究、綠色節(jié)能多功能防護(hù)涂層開發(fā)、鎂鋁合金表面微弧氧化技術(shù)研究、電化學(xué)增材制造、環(huán)境損傷與裝備安全服役標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)等。

萬紅霞，博士，副教授，博導(dǎo)，任職于中國(guó)石油大學(xué)（北京）新能源與材料學(xué)院，研究領(lǐng)域?yàn)橛蜌庋b備材料腐蝕與防護(hù)，壽命評(píng)估，安全性評(píng)價(jià)等，主要包括油套管含硫腐蝕和CO2腐蝕，長(zhǎng)輸管線雜散電流腐蝕與陰極保護(hù)，輸氫管道氫脆研究等方向。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持國(guó)家自然基金青年基金，重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題、校拔尖人才啟動(dòng)金、企業(yè)橫向課題等項(xiàng)目10余項(xiàng)。以第一作者和通訊作者在腐蝕領(lǐng)域頂級(jí)期刊Corrosion Science、JMST等上發(fā)表論文40余篇。擔(dān)任中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)、Petroleum Science等青年編委。