鎂（Mg）及其合金因其優異的特性，如高比強度、卓越的阻尼性能和良好的生物相容性，在航空航天、軍事裝備和生物醫用等領域展現出巨大潛力。然而，它們的廣泛應用受到固有局限性的制約，尤其是其相對較低的強度和較差的耐蝕性。近年來，在Mg-RE-Zn三元合金系中開發了一系列具有長周期堆垛有序（LPSO）結構的新型Mg合金，這種合金有著獨特的微觀結構和優異的室溫、高溫力學性能，因此受到了廣泛關注。然而，關于含LPSO結構Mg合金的腐蝕研究多集中于氯化鈉（NaCl）溶液中。面對日益復雜的應用背景，探索多種腐蝕介質（例如：SO₄^2-）中腐蝕行為差異變得尤為重要。

基于此，哈爾濱工程大學張景懷教授聯合香港理工大學楊許生教授和北京工業大學于子健副教授等，研究了含LPSO結構Mg合金在NaCl和Na₂SO₄溶液中的腐蝕行為，發現在Na₂SO₄溶液中微電偶腐蝕行為被顯著抑制。相關論文以“Insights into corrosion behavior of Mg alloys containing long-period stacking ordered structure in chloride and sulfate media”為題發表于Corrosion Science。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2024.112592

在本項工作中，作者通過巧妙合金化設計和工藝調控，成功地制備了兩組Mg96.9Er2.4Zn0.6Zr0.1（at.%）合金，一組含塊狀LPSO相，另一組含納米片層LPSO相（圖1），系統地研究和比較了它們在NaCl和Na₂SO₄溶液中的不同腐蝕行為。通過掃描開爾文探針力顯微鏡（SKPFM）的測量，研究人員發現LPSO相（陰極）與Mg基體（陽極）之間的電位差集中在75~81 mV（圖2）。這一電位差是導致微電偶腐蝕的關鍵因素。在NaCl溶液中，這種電位差會促使LPSO相和Mg基體之間形成微小的電偶對，從而加速Mg基體的腐蝕過程，導致材料的局部腐蝕加劇。這種現象在圖3中得到了直觀的展示，與SKPFM的測量結果相一致。然而在Na₂SO₄溶液中，LPSO相與Mg基體之間的微電偶腐蝕行為明顯減弱（圖3和圖4）。SO₄^2-的存在抑制了所研究合金的微電偶腐蝕傾向，使得LPSO相和Mg基體同時發生腐蝕，從而導致一種更隨機的腐蝕過程（圖4和圖5）。另外，對比塊狀和片層LPSO結構，進一步發現含片層LPSO結構的Mg合金具有更為均勻的腐蝕行為（圖4）。

圖1 兩種Mg96.9Er2.4Zn0.6Zr0.1（at.%）合金的微觀結構

圖2 塊狀和片層LPSO結構與基體的電位差

圖3 塊狀LPSO在1 M NaCl溶液中浸泡6 h后的共聚焦圖

圖4 塊狀LPSO在Na₂SO₄溶液中浸泡24 h后的共聚焦圖

圖5 塊狀LPSO在Na₂SO₄溶液中腐蝕后的TEM截面分析

另外，由于LPSO相中含有比基體更多的Er和Zn原子，被腐蝕后釋放出更高比例的Er³⁺/Zn²⁺，最終形成含有Er₂O₃/ZnO/ZnS的更具保護性的腐蝕膜（圖6和圖7）。電化學測試結果也表明此時膜層具有更好的鈍化效果（圖8）。

圖6 合金在Na₂SO₄溶液中腐蝕后的XPS和EDS截面分析

圖7合金在Na₂SO₄溶液中腐蝕膜層的物相結構分析

圖8 合金浸泡于NaCl和Na₂SO₄溶液的電化學測試結果

總之，含有片層LPSO結構的熱擠壓合金在NaCl和Na₂SO₄溶液中表現出優異的耐蝕性能。在NaCl溶液中，腐蝕機理主要由電位差驅動的微電偶腐蝕所控制（圖9）。在這種腐蝕模式下，LPSO相周圍的Mg基體會遭受嚴重腐蝕，而LPSO結構本身幾乎不受影響。此外，被腐蝕的Mg基體會釋放大量的Mg²⁺，形成了松散的MgO/Mg(OH)₂腐蝕膜。此外，與塊狀LPSO相比，納米片層LPSO相促進了更均勻的腐蝕行為，從而有助于提高熱擠壓合金的耐蝕性。

然而在Na₂SO₄溶液中，發生了一種近似“隨機腐蝕”的新腐蝕模式，LPSO相和Mg基體均與腐蝕介質相互作用，使微電偶腐蝕不再占主導地位（圖9）。此外，LPSO結構與Mg基體同時被腐蝕，會釋放出大量的Er³⁺和Zn²⁺。這有利于腐蝕膜中Er₂O₃和ZnO的生成，甚至將有害陰離子（SO₄^2-）轉化為有益的膜組成分ZnS。因此，腐蝕膜的鈍化和保護效果顯著增強。

圖9 含LPSO結構Mg合金在兩種腐蝕介質中的腐蝕機理圖