鎂(Mg)合金是目前最輕的結構金屬材料，在航空航天、軍事裝備和汽車等領域具有巨大的減重和節能潛力。除了高力學性能外，優異的耐腐蝕性也是高性能結構金屬材料的重要指標。與其他結構合金相比，鎂合金高的本征活性和差的膜層保護性嚴重阻礙了鎂合金的廣泛應用。第二相強化（彌散強化或沉淀強化）通常是高強鎂合金的主要強化機理。許多研究已證明具有微/納米尺度的第二相顆粒能夠有效提高鎂合金強度；然而，大多數第二相具有比鎂基體更正的電位，這些作為陰極的第二相粒子和陽極鎂基體建立微電偶對，加速鎂基體溶解，產生點蝕進而形成嚴重局部腐蝕。

近年來，人們發現堆垛層錯（SFs）/長周期堆垛有序結構（LPSO）增強的鎂合金具有超高的力學性能和優良的綜合性能。然而，在目前的腐蝕研究中，仍存在幾個關鍵問題尚未得到解決。近期，哈爾濱工程大學張景懷課題組聯合中科院長春應用化學研究所楊強博士和日本東京大學管凱博士，基于對溶質富集SFs和LPSO結構的腐蝕機理研究，提出了構建“均勻電位強化組織”設計高強耐蝕鎂合金的新思路。相關論文以“New insights on the different corrosion mechanisms of Mg alloys with solute-enriched stacking faults or long period stacking ordered phase”為題發表于Corrosion Science。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2022.110163

在這項工作中，研究者通過巧妙合金化設計，制備了一種新型Mg96.9Er2.4Zn0.6Zr0.1 (at.%) 合金，系統地研究和比較了強化結構溶質富集SFs（SESFs）和LPSO在該合金成分下的不同腐蝕行為。

一方面，首次證實納米SESFs為一種特殊弱陽極結構，降低微電偶腐蝕傾向。通過合金化設計、熱擠壓和后續熱處理，在細晶（1~2 µm）組織中實現了納米間距I2型SESFs的形成，并實現了SESFs向LPSO的轉變。在相同合金成分下，成功制備了四種具有微觀特征的鎂合金，即和具有納米間距SESFs的擠壓態和HT400合金、具有SESFs+18R-LPSO混合結構的HT450合金和具有全部LPSO相的HT500合金（圖1）。首次用掃描開爾文探針力顯微鏡（SKPFM）法在納米尺度上精確測量了弱陽極SFs（19-42 mV）和陰極LPSO相（48-80 mV）的電位差（圖2）。通過實驗和理論計算的電子功函數（WF）驗證了SKPFM測量SESFs和LPSO相的陽極/陰極性質和具體PD值的可靠性（圖3）。此外，STEM直接觀察到SESFs作為弱陽極和LPSO作為陰極的局部微電偶反應，為SKPFM測試和功函數計算結果提供了有力支持（圖4）。

圖1 Mg96.9Er2.4Zn0.6Zr0.1 (at.%) 合金的SESFs和LPSO結構

圖2 鎂合金中SESFs和LPSO結構的SKPFM分析

圖3 鎂合金中SESFs和LPSO結構的功函數差計算模擬結果

圖4 短時腐蝕后SESFs和LPSO結構的STEM和EDS圖

另一方面，證實SESFs作為弱陽極優先腐蝕能夠提高腐蝕膜層保護性。這主要是因為富含稀土溶質的SESFs作為弱陽極優先腐蝕，易釋放更多的Er3+（圖5和圖6），大量的Er3+會捕獲和阻止有害陰離子（Cl-）通過腐蝕膜，電化學極化和阻抗測試表明膜層具有更好的鈍化效果（圖7）。而對于含有LPSO相鎂合金而言，作為陽極的鎂基體優先受到微電偶腐蝕，釋放較少的Er3+，這使得LPSO增強鎂合金的腐蝕膜保護性不如SESFs增強鎂合金。基于SESFs和LPSO結構的獨特作用，揭示了以SESFs為核心的低速率均勻腐蝕微觀機理（圖8）。

圖5 HT400合金和HT500合金的XPS腐蝕膜層分析

圖6 HT400合金和HT500合金的腐蝕膜層分析

圖7 四種合金浸泡1h和12h的電化學測試結果

圖8 含SFs和LPSO結構的鎂合金的腐蝕機理圖

總之，由于良好強化效果和弱陽極效應，含SESFs鎂合金與類似加工狀態的其他鎂合金相比，具有優異強度和耐腐蝕性組合（圖9）。因此，構建含有納米間距弱陽極SESFs結構的細晶組織是設計高強度耐蝕鎂合金的新策略。

圖9 類似工藝制備的鎂合金腐蝕速率-屈服強度圖