《Adv. Mat.》：鋁合金，高強度+耐腐蝕！
2024-07-16 14:52:37
作者： 材料PLUS 來源： 材料PLUS
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高強度鋁基金屬材料因其重量輕、性能好（如高特定強度和導(dǎo)電性），而廣泛應(yīng)用于航空、航空航天和海洋工業(yè)。這類材料的高強度往往依賴于增強相的引入，如Al合金中的沉淀相和Al基質(zhì)復(fù)合材料中的增強相。這些相與Al基體間存在顯著的電化學(xué)性質(zhì)差異，導(dǎo)致暴露在惡劣環(huán)境中易發(fā)生微電流腐蝕，從而導(dǎo)致材料的抗腐蝕性較差。腐蝕問題不僅威脅部件的安全性和結(jié)構(gòu)完整性，還限制了它們的廣泛應(yīng)用，還可能引發(fā)巨大的經(jīng)濟損失和對人類生命的不可逆轉(zhuǎn)的傷害。因此，解決高強度鋁基材料的腐蝕問題一直是工程應(yīng)用的迫切需要。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，科研人員不斷探索多種表面防護策略，如涂層技術(shù)及微弧氧化處理，來抑制腐蝕過程。然而，這些方法不能提供終身保護，且處理復(fù)雜。另一方面，通過優(yōu)化成分、調(diào)節(jié)強化相并控制其與基體的相互作用，致力于提高高強度鋁基材料的固有耐腐蝕性。然而，在鋁基材料中實現(xiàn)高強度和良好的耐腐蝕性通常需要強度-腐蝕權(quán)衡，因為傳統(tǒng)方法產(chǎn)生的強化相會不同程度地降低耐腐蝕性。因此，在不犧牲高強度的情況下，顯著提高鋁基金屬材料的終身耐腐蝕性仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。近日，中科院金屬所鄭玉貴研究員、馬宗義研究員&中科院深圳先進院成會明院士受魚類從腺體分泌黏液以抵抗外部環(huán)境變化的啟發(fā)，開發(fā)了一種新穎的策略：將沉淀劑作為黏液加入大塊金屬中，使用開口碳納米管（CNTs）的內(nèi)腔作為腺體，使高強度鋁合金具有終身卓越的耐腐蝕性。所得材料具有超高的抗拉強度（≈700 MPa）和酸性、中性和堿性介質(zhì)中非凡的耐腐蝕性。與先前報道的所有鋁合金相比，它具有最高的抗晶間腐蝕、剝落腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂性，其腐蝕速率甚至遠(yuǎn)低于純鋁，這是由于暴露的CNTs釋放的沉淀劑在表面富集，進而形成了保護性表面膜。更重要的是，由于沉淀劑分散在整個材料中且按需最小自給，其高耐腐蝕性是終身的和自修復(fù)的。這一策略有望推廣到其他類型的鋁合金，并為開發(fā)耐腐蝕的高強度金屬材料鋪平道路。相關(guān)研究工作以“Nature-Inspired Incorporation of Precipitants into High-Strength Bulk Aluminum Alloys Enables Life-Long Extraordinary Corrosion Resistance in Diverse Aqueous Environments”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上。圖1. Na2MoO4@CNT/7075的制備、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。(a) Na2MoO4@CNT/7075的制備示意圖；(b) Na2MoO4@CNT粉末的TEM圖像和能量色散光譜（EDS）圖；(c) Na2MoO4@CNT/7075塊體中Na2MoO4@CNT的TEM圖像和EDS圖；(d) Na2MoO4@CNT和Al基體之間界面的HRTEM圖像和選區(qū)電子衍射（SAED）圖案（插圖）；(e) 工程應(yīng)力-應(yīng)變-拉伸曲線。圖2. 根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)，與7075、CNT/7075和其他鋁合金相比，Na2MoO4@CNT/7075的腐蝕性能。(a-c)在對Na2MoO4@CNT/7075 (a)、7075 (b)和CNT/7705 (c)進行IGC測試后，樣品的截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像和標(biāo)記的IGC深度；(d-f)在Na2MoO4@CNT/7075 (d)、7075 (e)和CNT/7705 (f)的EXCO測試后，樣品的光學(xué)宏觀EXCO形態(tài)和標(biāo)記的EXCO評級；(g) EXCO測試后樣品的表面文件；(h) 在空氣和0.6 mol·L-1 NaCl溶液中的SSRT曲線，以評估SCC易感性；(i) Na2MoO4@CNT/7075、7075和CNT/7705的FEloss、ELloss和ISSRT的SCC指數(shù)；(J-l)與其他鋁合金相比，Na2MoO4@CNT/7075的UTS與IGC (j)、EXCO (k)和SCC (l)電阻。圖3. 與7075、CNT/7075和其他高強度（UTS>600MPa）鋁合金相比，通過測量重量損失獲得了Na2MoO4@CNT/7705在不同腐蝕介質(zhì)中的腐蝕速率。(a)浸泡2天后在1mol·L-1 H2SO4和1mol·L-1 NaOH溶液中以及浸泡30天后在0.6mol·L-1 NaCl溶液中的腐蝕速率和腐蝕形態(tài)的SEM圖像；(b)與其他倒退和再時效（RRA）、應(yīng)力時效（SA）、動態(tài)時效（DA）、Zn/Mg比例優(yōu)化、Sc合金化以及Pr和Er合金化策略相比，本策略能夠同時提高UTS和降低腐蝕速率（在0.6mol·L-1 NaCl溶液中），顯示出克服鋁基材料強度-腐蝕權(quán)衡影響的卓越能力。圖4. 擴展了使用開口CNT內(nèi)腔將沉淀劑摻入大塊金屬的新策略。(a-d)工程應(yīng)力-應(yīng)變-拉伸曲線，包括IGC測試后樣品的截面SEM圖像和標(biāo)記的IGC深度（右上），以及在Na3PO4@CNT/7075 (a)、Na2SiO3@CNT/7705 (b)、Na2MoO4@CNT/6061 (c)和Na2MoO4@CNT/2024 (d)的EXCO測試后的光學(xué)宏觀EXCO形態(tài)（右下），顯示出高強度和優(yōu)異耐腐蝕性的良好組合。這項工作提出了一種受自然啟發(fā)的創(chuàng)新策略，通過使用開口CNTs的內(nèi)腔將額定水溶性沉淀劑摻入大塊鋁合金中，開發(fā)耐腐蝕的高強度鋁基材料。這一策略由于通過負(fù)載傳遞機制的CNT的外壁潔凈，提高了大塊鋁合金的強度；同時，由于毛細(xì)管作用使暴露的CNT釋放的沉淀劑明顯富集，使大塊鋁合金具有非凡的耐腐蝕性，巧妙平衡了金屬材料的強度與耐腐蝕性的傳統(tǒng)矛盾。值得一提的是，沉淀劑在大塊金屬中的釋放是自發(fā)的、按需的和微小的，且利用率很高，為高強度鋁合金在各種腐蝕性水介質(zhì)中提供了終身和自愈的耐腐蝕性。結(jié)果表明，通過調(diào)整鋁合金基體和沉積相，可輕易實現(xiàn)高強度和優(yōu)異耐腐蝕性的良好結(jié)合。該策略展現(xiàn)出巨大的潛在擴展能力，通過開口CNTs與適宜沉淀劑的結(jié)合，針對特定應(yīng)用需求，精準(zhǔn)定制開發(fā)出其他種類的高強度且耐腐蝕的鎂基、鋅基或銅基材料。因此，這種受自然啟發(fā)的策略，將激起科研界對先進材料研發(fā)與應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛興趣與深入探索。
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