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Al_2Sm金属间化合物对AZ系镁合金耐腐蚀性能的研究

李晓  
【摘要】:AZ系镁合金以其优良的性能而广泛应用于汽车、航空、电子和医学等多种领域,但是较差的耐腐蚀性能而限制了其进一步的发展。本论文研究了稀土元素Sm合金化对热挤压态AZ31和铸态、超声AZ91镁合金的微观组织以及耐腐蚀性的影响。SEM和TEM的观察结果表明在AZ系镁合金中添加了Sm元素后形成了颗粒状弥散分布的Al_2Sm金属间化合物,微区极化的结果表明其本身不仅具有较高的腐蚀电位(-1.01mV),而且具有优良的钝化能力。这表明Al_2Sm金属间化合物自身耐腐蚀性较好,而且作为弱阴极相不会引发剧烈的微电偶腐蚀,同时可以作为屏障阻挡电解液与镁基体之间的接触,因此提高了镁合金的耐腐蚀性。对于热挤压态AZ31镁合金而言,稀土Sm的添加使得合金的腐蚀速率在横向试样上从15.98×10~(-4)下降至11.19×10~(-4) g·cm~(-2)·h~(-1),在纵向试样上从8.57×10~(-4)下降至6.20×10~(-4) g·cm~(-2)·h~(-1),电化学测试结果表明合金横向和纵向试样的腐蚀电位分别上升了98和62mV,电荷转移电阻则分别从1764和1756Ω·cm~2增加至2928和2408Ω·cm~2。这些结果均表明添加Sm后合金耐腐蚀性显著提升,其原因不仅是合金组织中形成了耐腐蚀性较好的Al_2Sm金属间化合物,还因为Al_2Sm相的形成细化了合金晶粒、促进合金动态再结晶过程的进行,从而显著减少了组织中的位错和孪晶等缺陷;同时使得合金中的强阴极相Al-Mn金属间化合物转变为弱阴极相Al-Mn-Sm金属间化合物,因此抑制了合金表面微电偶腐蚀的程度,同时也抑制了点蚀的发展。对于铸态AZ91镁合金而言,失重和析氢的结果表明随着Sm添加量的不断增多,合金的腐蚀速率呈现出先下降后上升的趋势。当稀土Sm的添加量为1wt.%时腐蚀速率最低,此时合金的失重和析氢腐蚀速率分别为0.35 mg/cm~2day和0.029 ml/cm~2day,大约为基体合金的73%和88%。同时电化学测试结果也表明AZ91-1.0Sm合金的腐蚀电流密度约为基体合金的1/3,极化电阻值约为基体合金的175.8%。通过对微观组织的观察发现Sm元素的添加量对合金中β-Mg_(17)Al_(12)相的分布有着显著影响:少量(0.5wt%)和过量(1.5wt.%)的Sm使得β-Mg_(17)Al_(12)相的分布更加均匀,但是形成的网状结构连续性较差,因此对耐腐蚀性的提升较弱;而适量的Sm元素(1wt.%)使得合金中原本粗大、聚集的β-Mg_(17)Al_(12)枝晶组织转变为均匀、细小、连续的网状结构,可以有效提高β-Mg_(17)Al_(12)相的屏障作用。腐蚀形貌显示β-Mg_(17)Al_(12)相和Al_2Sm相共同组成的网状结构抑制了腐蚀向合金深处发展的趋势,因此使得合金的耐腐蚀性增强。对于超声AZ91镁合金而言,失重和析氢的结果表明合金的腐蚀速率随着稀土Sm含量的增多而显著下降,当Sm元素添加量为1.5wt.%时合金的腐蚀速率达到最低,分别为0.167mg/cm~2day和0.247ml/cm~2day。电化学结果表明此时合金具有最小的腐蚀电流密度(16.582 mA/cm~2),仅为基体合金的57.5%,并且腐蚀电位最正,相对于基体合金提高了34mV。合金微观形貌表明超声引起的空化和声流效应使得合金中部分β-Mg_(17)Al_(12)相枝晶熔断,转变为短棒状且趋于弥散分布;随着合金中稀土Sm的添加量不断增多,β-Mg_(17)Al_(12)相枝晶组织逐渐消失,形成了颗粒状β-Mg_(17)Al_(12)相且分布更加均匀,这使得β-Mg_(17)Al_(12)相所引起的微电偶腐蚀的程度显著减小。同时超声处理也使得更多细小的Al_2Sm颗粒均匀地分布在晶界与晶粒内部,因此增加了Al_2Sm相的对镁基体的保护能力。腐蚀形貌表明合金表面严重的局部腐蚀转变为相对轻微的全面腐蚀,并且形成了覆盖面积更广、致密性更好的腐蚀产物层,从而显著提高了合金的耐腐蚀性。


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