上海交大曾小勤教授團隊Nat commun：同時提高鎂合金的強度與腐蝕性能

一、導讀

鎂合金最為最輕的結構材料，在航空航天和汽車工業中具有的非常好的應用前景。更輕質的材料可以有效的節省能源并減少碳化物等污染氣體的排放。但是鎂合金在實際應用中需要面對兩大挑戰，首先鎂合金的力學性能不足，另外其抗腐蝕性能非常差。如何解決這兩大瓶頸是鎂合金領域的兩大挑戰。鎂合金的低強度和有限的延展性源于其固有的金屬鍵結合力弱和以及室溫下滑移體系不足，而其耐蝕性差主要是由于其腐蝕電位低和表面的多孔腐蝕產物。雖然Ga合金化與形成LPSO結構可以在一定程度上提高合金的強度，但是腐蝕抗力則會大打折扣。同樣，提高腐蝕抗力的方法通常降低了合金的強度。如何打破強度和腐蝕抗力的這種矛盾，成為國際研究的熱點和難點。

二、成果掠影

最近，來自上海交大的曾小勤教授團隊成利用合金化，結合鑄造，熱處理和擠壓技術研制出一種Mg-11Y-1Al (wt. %)合金。該合金的整體性能特點是腐蝕速率低于0.2 mm y^?1，高屈服強度為350 MPa，拉伸伸長率為8%，這些性能組合優于目前公開報道的鎂合金。結果表明，在Al2O3/ Al(OH)3沉積作用下，可快速形成一層薄薄的、致密的Y2O3/Y(OH)3保護膜，使該合金免受腐蝕介質的進一步侵蝕。為將來鑄造和變形高強不銹鎂合金在工業制備中的應用提供了一種新的設計思路。同時，細化的晶粒、較弱的織構和非基面滑移系統的激活共同促成了高強度和良好的延性。該研究成果有望啟發下一代高性能鎂合金的設計。相關成果以“Towards development of a high-strength stainless Mg alloy with Al-assisted growth of passive film”為題發表在國際著名學術期刊Nature communications期刊上。

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

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

三、核心創新點

(1) 開發出一種新的Mg-11Y-1Al (wt. %)合金，使其兼具優異室溫強塑性和抗腐蝕性能；

(2) 提出Al元素進行微合金化改性鎂合金的設計策略；

四、數據概覽

圖1 WA111合金在力學和耐腐蝕性能方面表現出相對于其他鎂合金的競爭優勢；a析氫和失重速率;b鑄態(F) W11試樣的顯微組織; c-e鑄態(F)、T4-1和T4-EX-1 WA111樣品的組織; f設計的WA111合金與其他常規方法制備的鎂合金的屈服強度和腐蝕速率比較，粉色和藍色橢圓形背景分別代表強度-腐蝕的總體趨勢。

圖2 W11和WA111合金中腐蝕產物膜的形貌和元素分布。a鑄態W11二元合金浸泡1天;b 鑄態 WA111合金浸泡1天;c鑄態WA111合金浸泡14天。

圖3 鑄態WA111合金表面形成腐蝕產物膜的表面化學反應；a. XPS深度剖面，表明存在不同的表面層;b-d為a中b-d位置上Mg、Y和Al對應的元素價態信息，證實了它們分別以MgO、Y₂O₃和Al₂O₃的形式存在。

圖4 W11和WA111合金的電化學性能比較。a W11和WA111合金在浸泡1.5 h后的動電位極化曲線;b浸泡1.5 h后W11和WA111合金的電化學阻抗譜(EIS) Nyquist圖; c浸漬不同時間后鑄態(F) WA111合金的EIS Nyquist圖。

圖5 W11和WA111合金的耐蝕機理示意圖。a - W11和b - WA111合金鹵水溶液的早期研究；c W11和d WA111合金在鹵水溶液中長時間暴露。

五、成果啟迪

本工作巧妙的利用將Al元素添加能在Mg-Y合金中，形成Al₂Y顆粒，從而達到細化晶粒并形成長周期堆垛有序結構（LPSO）強化相，顯著提升Mg-Y-Al合金的強度并維持良好的塑性；另外， Al元素在鎂合金表面具有更快的沉積速率，促進了在腐蝕環境中鎂合金表面成鈍化膜。這種設計策略成本低，性能好，可推廣至其它合金。