導讀：在汽車和航空航天應用的輕質結構件中，具有高強度和優良耐腐蝕性的鎂合金一直是人們所追求的。然而，對于大多數具有高比強度的鎂合金，它們通常具有較差的耐腐蝕性，反之亦然。在這項工作中，通過常規鑄造、溶液處理和擠壓，成功開發了Mg-11Y-1Al（wt%）合金。該合金的整體性能特點是腐蝕率低于0.2 mm y^-1，具有350 MPa的高屈服強度和8%的適中拉伸伸長率，其組合與文獻中其他對比的鎂合金相比顯示出競爭優勢。研究發現，借助于Al₂O₃/Al(OH)₃沉積，可以快速形成一層薄而致密的Y₂O₃/Y(OH)₃保護膜，使該合金免受腐蝕介質的進一步攻擊。同時，細化的晶粒、薄弱的紋理和非基底滑移系統的激活共同促成了高強度和良好的延展性。我們的研究結果有望為下一代高性能鎂合金的設計提供啟發。

作為最輕的金屬結構材料，鎂（Mg）合金在工業上有很大的潛力，因為輕量化是減少能源消耗和碳足跡的關鍵途徑，但其在室溫下較差的機械性能和較弱的抗腐蝕性是限制其應用的兩個主要瓶頸。眾所周知，鎂的低強度和有限的延展性源于其固有的弱結合力和室溫下滑移系統的不足，而耐腐蝕性差主要是由于其低腐蝕電位和其表面的多孔腐蝕產物。為了解決鎂合金的這兩個長期存在的問題，在過去的幾十年里，從合金設計到制造工藝，已經制定了各種策略。

雖然鎂合金的機械性能可以通過微合金化，特別是添加稀土（RE）元素和/或晶粒細化得到有效改善，但改善其耐腐蝕性是一個不同的故事。高純鎂（HP-Mg，Mg≥99.99 wt. %）的腐蝕率為0.3~0.5 mm y-1 12，這是相當好的，但由于其屈服強度很低。

鎂合金的使用環境通常需要高標準的機械和抗腐蝕性能，以確保良好的結構完整性和耐久性。不幸的是，這兩個要求往往是相互矛盾的。例如，Mg-RE二元合金的腐蝕率隨著RE含量的增加而成倍增加20，這歸因于含RE的二次相和鎂基體之間形成電化學電池。盡管一些研究人員提出了在減輕二次相的副作用的同時提高強度和耐腐蝕性的策略，并且最近通過致密超細雙胞胎實現了有希望的強度-腐蝕協同作用，但問題仍然存在，要么整體性能遠遠不能滿足，要么制造工藝復雜。值得一提的是，Mg-RE二元合金的腐蝕率可以通過添加第三種合金元素和優化微觀結構來降低。研究發現，引入長周期堆積有序（LPSO）相可以將Mg-RE合金的腐蝕行為從點狀腐蝕變為均勻腐蝕，并在一定程度上降低腐蝕速率。鋅是Mg-RE合金中通常添加的第三種元素，通過常規鑄造和隨后的熱變形建立LPSO相。然而，Mg-RE-Zn合金的整體性能與使用條件的要求之間仍有明顯差距。

在這項工作中，上海交通大學曾小勤教授團隊等人提出了一個含有LPSO相的Mg-Y-Al系統，作為下一代高性能鎂合金的一個有希望的候選材料，基于以下兩個假設。首先，Al添加到Mg-Y基合金中可以在熔融鎂中形成穩定的Al2Y相，這提供了有效的異質成核點，以促進在凝固過程中形成精細和等軸的α-Mg晶粒，這可能有利于機械性能28。其次，加入Al對腐蝕速率的加速作用不如Zn16，使其在溶解后的中性溶液中比Zn更容易沉積在鎂的表面29,30。然后，我們通過傳統的鑄造，然后擠壓，成功地制造了一個模型合金（Mg-11Y-1Al，重量百分比）。不同長度尺度的微觀結構，Mg-11Y-1Al合金及其基礎合金Mg-11Y的機械和腐蝕行為得到了全面的描述。還分別討論了其強度、延展性和耐腐蝕性的基本機制。

相關研究成果以題“Towards development of a high-strength stainless Mg alloy with Al-assisted growth of passive film”發表在著名期刊Nature上。

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

圖1

a 氫演化率和失重率；b 鑄造（F）W11樣品的顯微結構；c-e分別為鑄造（F）、T4-1和T4-EX-1 WA111樣品的顯微結構。f 設計的WA111合金和其他用傳統方法制備的鎂合金的屈服強度和腐蝕率的比較，其中伸長率低于5%的合金用開放符號表示，而高于5%的合金用完整符號表示，粉色和藍色的橢圓背景分別代表強度-腐蝕權衡的一般趨勢。(腐蝕率是由3.5 wt.%NaCl溶液中的浸泡實驗得到的數據轉換而來）。

圖2

A鑄造W11二元合金浸泡1天；b鑄造WA111合金浸泡1天；c鑄造WA111合金浸泡14天。

圖3

a XPS深度圖，表明存在各種表面層（XPS刻蝕率，Ta2O5為0.08 nm s^-1）；b-d是a中b-d位置的Mg、Y和Al的相應元素價態信息，證實它們分別以MgO、Y₂O₃和Al₂O₃的形式存在。

圖4

a W11和WA111合金浸泡1.5小時后的電位極化（PDP）曲線；b W11和WA111合金浸泡1.5小時后的電化學阻抗光譜（EIS）的奈奎斯特圖；c WA111合金浸泡不同時間后的EIS的奈奎斯特圖。這些奈奎斯特圖的擬合線也在上面列出。

如前所述，如何同時提高鎂合金的機械性能和耐腐蝕性是一個長期的挑戰。在我們目前的研究中開發的WA111合金為實現這一目標提供了理想的解決方案。WA111合金優良的耐腐蝕性和屈服強度的結合，使其成為要求更高的應用的最佳候選材料。此外，將目前的合金設計策略擴展到其他Mg-RE-Al合金系統，以開發一系列強韌和耐腐蝕的Mg合金，也是很有前途的。