上海交大曾小勤教授团队Nat commun：同时提高镁合金的强度与腐蚀性能

一、导读

镁合金最为最轻的结构材料，在航空航天和汽车工业中具有的非常好的应用前景。更轻质的材料可以有效的节省能源并减少碳化物等污染气体的排放。但是镁合金在实际应用中需要面对两大挑战，首先镁合金的力学性能不足，另外其抗腐蚀性能非常差。如何解决这两大瓶颈是镁合金领域的两大挑战。镁合金的低强度和有限的延展性源于其固有的金属键结合力弱和以及室温下滑移体系不足，而其耐蚀性差主要是由于其腐蚀电位低和表面的多孔腐蚀产物。虽然Ga合金化与形成LPSO结构可以在一定程度上提高合金的强度，但是腐蚀抗力则会大打折扣。同样，提高腐蚀抗力的方法通常降低了合金的强度。如何打破强度和腐蚀抗力的这种矛盾，成为国际研究的热点和难点。

二、成果掠影

最近，来自上海交大的曾小勤教授团队成利用合金化，结合铸造，热处理和挤压技术研制出一种Mg-11Y-1Al (wt. %)合金。该合金的整体性能特点是腐蚀速率低于0.2 mm y⁻¹，高屈服强度为350 MPa，拉伸伸长率为8%，这些性能组合优于目前公开报道的镁合金。结果表明，在Al2O3/ Al(OH)3沉积作用下，可快速形成一层薄薄的、致密的Y2O3/Y(OH)3保护膜，使该合金免受腐蚀介质的进一步侵蚀。为将来铸造和变形高强不锈镁合金在工业制备中的应用提供了一种新的设计思路。同时，细化的晶粒、较弱的织构和非基面滑移系统的激活共同促成了高强度和良好的延性。该研究成果有望启发下一代高性能镁合金的设计。相关成果以“Towards development of a high-strength stainless Mg alloy with Al-assisted growth of passive film”为题发表在国际著名学术期刊Nature communications期刊上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-33480-w

DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-022-33480-w

三、核心创新点

(1) 开发出一种新的Mg-11Y-1Al (wt. %)合金，使其兼具优异室温强塑性和抗腐蚀性能；

(2) 提出Al元素进行微合金化改性镁合金的设计策略；

四、数据概览

图1 WA111合金在力学和耐腐蚀性能方面表现出相对于其他镁合金的竞争优势；a析氢和失重速率;b铸态(F) W11试样的显微组织; c-e铸态(F)、T4-1和T4-EX-1 WA111样品的组织; f设计的WA111合金与其他常规方法制备的镁合金的屈服强度和腐蚀速率比较，粉色和蓝色椭圆形背景分别代表强度-腐蚀的总体趋势。

图2 W11和WA111合金中腐蚀产物膜的形貌和元素分布。a铸态W11二元合金浸泡1天;b 铸态 WA111合金浸泡1天;c铸态WA111合金浸泡14天。

图3 铸态WA111合金表面形成腐蚀产物膜的表面化学反应；a. XPS深度剖面，表明存在不同的表面层;b-d为a中b-d位置上Mg、Y和Al对应的元素价态信息，证实了它们分别以MgO、Y₂O₃和Al₂O₃的形式存在。

图4 W11和WA111合金的电化学性能比较。a W11和WA111合金在浸泡1.5 h后的动电位极化曲线;b浸泡1.5 h后W11和WA111合金的电化学阻抗谱(EIS) Nyquist图; c浸渍不同时间后铸态(F) WA111合金的EIS Nyquist图。

图5 W11和WA111合金的耐蚀机理示意图。a - W11和b - WA111合金卤水溶液的早期研究；c W11和d WA111合金在卤水溶液中长时间暴露。

五、成果启迪

本工作巧妙的利用将Al元素添加能在Mg-Y合金中，形成Al₂Y颗粒，从而达到细化晶粒并形成长周期堆垛有序结构（LPSO）强化相，显著提升Mg-Y-Al合金的强度并维持良好的塑性；另外， Al元素在镁合金表面具有更快的沉积速率，促进了在腐蚀环境中镁合金表面成钝化膜。这种设计策略成本低，性能好，可推广至其它合金。