镁(Mg)合金是目前最轻的结构金属材料，在航空航天、军事装备和汽车等领域具有巨大的减重和节能潜力。除了高力学性能外，优异的耐腐蚀性也是高性能结构金属材料的重要指标。与其他结构合金相比，镁合金高的本征活性和差的膜层保护性严重阻碍了镁合金的广泛应用。第二相强化（弥散强化或沉淀强化）通常是高强镁合金的主要强化机理。许多研究已证明具有微/纳米尺度的第二相颗粒能够有效提高镁合金强度；然而，大多数第二相具有比镁基体更正的电位，这些作为阴极的第二相粒子和阳极镁基体建立微电偶对，加速镁基体溶解，产生点蚀进而形成严重局部腐蚀。
近年来，人们发现堆垛层错（SFs）/长周期堆垛有序结构（LPSO）增强的镁合金具有超高的力学性能和优良的综合性能。然而，在目前的腐蚀研究中，仍存在几个关键问题尚未得到解决。近期，哈尔滨工程大学张景怀课题组联合中科院长春应用化学研究所杨强博士和日本东京大学管凯博士，基于对溶质富集SFs和LPSO结构的腐蚀机理研究，提出了构建“均匀电位强化组织”设计高强耐蚀镁合金的新思路。相关论文以“New insights on the different corrosion mechanisms of Mg alloys with solute-enriched stacking faults or long period stacking ordered phase”为题发表于Corrosion Science。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.corsci.2022.110163
在这项工作中，研究者通过巧妙合金化设计，制备了一种新型Mg96.9Er2.4Zn0.6Zr0.1 (at.%) 合金，系统地研究和比较了强化结构溶质富集SFs（SESFs）和LPSO在该合金成分下的不同腐蚀行为。
一方面，首次证实纳米SESFs为一种特殊弱阳极结构，降低微电偶腐蚀倾向。通过合金化设计、热挤压和后续热处理，在细晶（1~2µm）组织中实现了纳米间距I2型SESFs的形成，并实现了SESFs向LPSO的转变。在相同合金成分下，成功制备了四种具有微观特征的镁合金，即和具有纳米间距SESFs的挤压态和HT400合金、具有SESFs+18R-LPSO混合结构的HT450合金和具有全部LPSO相的HT500合金（图1）。首次用扫描开尔文探针力显微镜（SKPFM）法在纳米尺度上精确测量了弱阳极SFs（19-42 mV）和阴极LPSO相（48-80 mV）的电位差（图2）。通过实验和理论计算的电子功函数（WF）验证了SKPFM测量SESFs和LPSO相的阳极/阴极性质和具体PD值的可靠性（图3）。此外，STEM直接观察到SESFs作为弱阳极和LPSO作为阴极的局部微电偶反应，为SKPFM测试和功函数计算结果提供了有力支持（图4）。
图1 Mg96.9Er2.4Zn0.6Zr0.1 (at.%) 合金的SESFs和LPSO结构
图2 镁合金中SESFs和LPSO结构的SKPFM分析
图3 镁合金中SESFs和LPSO结构的功函数差计算模拟结果
图4 短时腐蚀后SESFs和LPSO结构的STEM和EDS图
另一方面，证实SESFs作为弱阳极优先腐蚀能够提高腐蚀膜层保护性。这主要是因为富含稀土溶质的SESFs作为弱阳极优先腐蚀，易释放更多的Er3+（图5和图6），大量的Er3+会捕获和阻止有害阴离子（Cl-）通过腐蚀膜，电化学极化和阻抗测试表明膜层具有更好的钝化效果（图7）。而对于含有LPSO相镁合金而言，作为阳极的镁基体优先受到微电偶腐蚀，释放较少的Er3+，这使得LPSO增强镁合金的腐蚀膜保护性不如SESFs增强镁合金。基于SESFs和LPSO结构的独特作用，揭示了以SESFs为核心的低速率均匀腐蚀微观机理（图8）。
图5 HT400合金和HT500合金的XPS腐蚀膜层分析
图6 HT400合金和HT500合金的腐蚀膜层分析
图7 四种合金浸泡1h和12h的电化学测试结果
图8 含SFs和LPSO结构的镁合金的腐蚀机理图
总之，由于良好强化效果和弱阳极效应，含SESFs镁合金与类似加工状态的其他镁合金相比，具有优异强度和耐腐蚀性组合（图9）。因此，构建含有纳米间距弱阳极SESFs结构的细晶组织是设计高强度耐蚀镁合金的新策略。
图9 类似工艺制备的镁合金腐蚀速率-屈服强度图
*感谢论文作者团队对本文的大力支持。
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