導(dǎo)讀：在汽車和航空航天應(yīng)用的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)件中，具有高強(qiáng)度和優(yōu)良耐腐蝕性的鎂合金一直是人們所追求的。然而，對于大多數(shù)具有高比強(qiáng)度的鎂合金，它們通常具有較差的耐腐蝕性，反之亦然。在這項(xiàng)工作中，通過常規(guī)鑄造、溶液處理和擠壓，成功開發(fā)了Mg-11Y-1Al（wt%）合金。該合金的整體性能特點(diǎn)是腐蝕率低于0.2 mm y^-1，具有350 MPa的高屈服強(qiáng)度和8%的適中拉伸伸長率，其組合與文獻(xiàn)中其他對比的鎂合金相比顯示出競爭優(yōu)勢。研究發(fā)現(xiàn)，借助于Al₂O₃/Al(OH)₃沉積，可以快速形成一層薄而致密的Y₂O₃/Y(OH)₃保護(hù)膜，使該合金免受腐蝕介質(zhì)的進(jìn)一步攻擊。同時，細(xì)化的晶粒、薄弱的紋理和非基底滑移系統(tǒng)的激活共同促成了高強(qiáng)度和良好的延展性。我們的研究結(jié)果有望為下一代高性能鎂合金的設(shè)計提供啟發(fā)。

作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，鎂（Mg）合金在工業(yè)上有很大的潛力，因?yàn)檩p量化是減少能源消耗和碳足跡的關(guān)鍵途徑，但其在室溫下較差的機(jī)械性能和較弱的抗腐蝕性是限制其應(yīng)用的兩個主要瓶頸。眾所周知，鎂的低強(qiáng)度和有限的延展性源于其固有的弱結(jié)合力和室溫下滑移系統(tǒng)的不足，而耐腐蝕性差主要是由于其低腐蝕電位和其表面的多孔腐蝕產(chǎn)物。為了解決鎂合金的這兩個長期存在的問題，在過去的幾十年里，從合金設(shè)計到制造工藝，已經(jīng)制定了各種策略。

雖然鎂合金的機(jī)械性能可以通過微合金化，特別是添加稀土（RE）元素和/或晶粒細(xì)化得到有效改善，但改善其耐腐蝕性是一個不同的故事。高純鎂（HP-Mg，Mg≥99.99 wt. %）的腐蝕率為0.3~0.5 mm y-1 12，這是相當(dāng)好的，但由于其屈服強(qiáng)度很低。

鎂合金的使用環(huán)境通常需要高標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械和抗腐蝕性能，以確保良好的結(jié)構(gòu)完整性和耐久性。不幸的是，這兩個要求往往是相互矛盾的。例如，Mg-RE二元合金的腐蝕率隨著RE含量的增加而成倍增加20，這歸因于含RE的二次相和鎂基體之間形成電化學(xué)電池。盡管一些研究人員提出了在減輕二次相的副作用的同時提高強(qiáng)度和耐腐蝕性的策略，并且最近通過致密超細(xì)雙胞胎實(shí)現(xiàn)了有希望的強(qiáng)度-腐蝕協(xié)同作用，但問題仍然存在，要么整體性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足，要么制造工藝復(fù)雜。值得一提的是，Mg-RE二元合金的腐蝕率可以通過添加第三種合金元素和優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)來降低。研究發(fā)現(xiàn)，引入長周期堆積有序（LPSO）相可以將Mg-RE合金的腐蝕行為從點(diǎn)狀腐蝕變?yōu)榫鶆蚋g，并在一定程度上降低腐蝕速率。鋅是Mg-RE合金中通常添加的第三種元素，通過常規(guī)鑄造和隨后的熱變形建立LPSO相。然而，Mg-RE-Zn合金的整體性能與使用條件的要求之間仍有明顯差距。

在這項(xiàng)工作中，上海交通大學(xué)曾小勤教授團(tuán)隊(duì)等人提出了一個含有LPSO相的Mg-Y-Al系統(tǒng)，作為下一代高性能鎂合金的一個有希望的候選材料，基于以下兩個假設(shè)。首先，Al添加到Mg-Y基合金中可以在熔融鎂中形成穩(wěn)定的Al2Y相，這提供了有效的異質(zhì)成核點(diǎn)，以促進(jìn)在凝固過程中形成精細(xì)和等軸的α-Mg晶粒，這可能有利于機(jī)械性能28。其次，加入Al對腐蝕速率的加速作用不如Zn16，使其在溶解后的中性溶液中比Zn更容易沉積在鎂的表面29,30。然后，我們通過傳統(tǒng)的鑄造，然后擠壓，成功地制造了一個模型合金（Mg-11Y-1Al，重量百分比）。不同長度尺度的微觀結(jié)構(gòu)，Mg-11Y-1Al合金及其基礎(chǔ)合金Mg-11Y的機(jī)械和腐蝕行為得到了全面的描述。還分別討論了其強(qiáng)度、延展性和耐腐蝕性的基本機(jī)制。

相關(guān)研究成果以題“Towards development of a high-strength stainless Mg alloy with Al-assisted growth of passive film”發(fā)表在著名期刊Nature上。

鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-33480-w

圖1

a 氫演化率和失重率；b 鑄造（F）W11樣品的顯微結(jié)構(gòu)；c-e分別為鑄造（F）、T4-1和T4-EX-1 WA111樣品的顯微結(jié)構(gòu)。f 設(shè)計的WA111合金和其他用傳統(tǒng)方法制備的鎂合金的屈服強(qiáng)度和腐蝕率的比較，其中伸長率低于5%的合金用開放符號表示，而高于5%的合金用完整符號表示，粉色和藍(lán)色的橢圓背景分別代表強(qiáng)度-腐蝕權(quán)衡的一般趨勢。(腐蝕率是由3.5 wt.%NaCl溶液中的浸泡實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而來）。

圖2

A鑄造W11二元合金浸泡1天；b鑄造WA111合金浸泡1天；c鑄造WA111合金浸泡14天。

圖3

a XPS深度圖，表明存在各種表面層（XPS刻蝕率，Ta2O5為0.08 nm s^-1）；b-d是a中b-d位置的Mg、Y和Al的相應(yīng)元素價態(tài)信息，證實(shí)它們分別以MgO、Y₂O₃和Al₂O₃的形式存在。

圖4

a W11和WA111合金浸泡1.5小時后的電位極化（PDP）曲線；b W11和WA111合金浸泡1.5小時后的電化學(xué)阻抗光譜（EIS）的奈奎斯特圖；c WA111合金浸泡不同時間后的EIS的奈奎斯特圖。這些奈奎斯特圖的擬合線也在上面列出。

如前所述，如何同時提高鎂合金的機(jī)械性能和耐腐蝕性是一個長期的挑戰(zhàn)。在我們目前的研究中開發(fā)的WA111合金為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)提供了理想的解決方案。WA111合金優(yōu)良的耐腐蝕性和屈服強(qiáng)度的結(jié)合，使其成為要求更高的應(yīng)用的最佳候選材料。此外，將目前的合金設(shè)計策略擴(kuò)展到其他Mg-RE-Al合金系統(tǒng)，以開發(fā)一系列強(qiáng)韌和耐腐蝕的Mg合金，也是很有前途的。