第一作者：宋東東

通訊作者：萬紅霞

通訊單位：中國石油大學(北京)

CSTR: 32134.14.1005.4537.2023.029

DOI: 10.11902/1005.4537.2023.029

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本文采用析氫、失重、電化學阻抗譜(EIS)、動態電位極化測試、XRD和SEM等方法對比研究了軋制前后ZM5鎂合金腐蝕性能和微觀組織的變化，并通過第一性原理分析研究了合金不同微觀組織的電子功函數，探究軋制對ZM5鎂合金腐蝕性能的影響。結果表明，軋制使ZM5發生明顯的擇優取向，軋制后ZM5的腐蝕失重、析氫量都顯著下降，而極化電阻明顯上升，表明軋制態鎂合金的耐蝕性優于鑄造鎂合金。模擬計算結果表明α相的重排提高了軋制合金的電子功函數。

背景介紹

鎂合金作為最輕的金屬結構材料，近年來在航空航天、汽車等各個工業領域受到越來越多的重視。隨著裝備性能要求的不斷提升，提高鎂合金力學性能一直是研究的熱點。塑性變形已被成功用于改善力學性能，如軋制、擠壓和鍛造已成功用于制造細晶鎂合金。然而，鎂合金在應用中，尤其是在惡劣的腐蝕環境中，耐蝕性較差。如何在提高鎂合金的力學性能時，并確保良好耐腐蝕性能是研究者一直關注的焦點。雖然關于工藝對鎂合金腐蝕性能影響的研究較多，但關于軋制工藝中的擇優取向作用的研究較少。擇優取向對改善鎂合金的力學性能有重要作用，其對鎂合金耐蝕性的影響有待進一步驗證。

本文亮點

本文采用失重、電化學阻抗譜(EIS)和動態電位極化測試等方法研究了ZM5鎂合金軋制前后的腐蝕行為。通過第一性原理計算，研究了擇優取向的作用。通過實驗和計算說明了擇優取向對鎂合金腐蝕行為的影響，以期為工藝優化提供有效依據。

圖文解析

圖1 本文圖文摘要

ZM5鎂合金鑄態時，β相(亮)沿α相(暗)晶界析出，β相在空間上呈網狀分布。通過掃描電鏡觀察，鑄態合金的晶粒尺寸在50~100μm左右。軋制后，小β相顆粒簇沿軋制方向排列，并觀察到一些明亮的金屬間化合物。軋制后的ZM5鎂合金形態可能受到加工工藝影響導致金屬間化合物的斷裂。鑄錠與軋制后的ZM5鎂合金在結晶學取向上存在差異。軋制后的ZM5鎂合金出現了較高的(0002)取向峰，表明動態再結晶優先服從(0002)取向，軋制后的ZM5鎂合金出現了(101?1)取向峰。從極化曲線的形狀看，鑄態和軋制態ZM5鎂合金的形狀相似，陽極均表現出活性溶解的狀態。相比鑄態，軋制態ZM5鎂合金的極化曲線整體往左上進行了移動，軋制態表現出較好的耐蝕性。通過對極化曲線的腐蝕電位、腐蝕電流密度和Tafel斜率進行擬合，其結果如表1所示，可以發現，鑄態ZM5鎂合金的腐蝕電位低于軋制態，說明鑄態ZM5鎂合金腐蝕傾向高于軋制態ZM5鎂合金。從腐蝕電流密度可以看出，鑄態ZM5鎂合金腐蝕電流密度明顯高于軋制態，說明ZM5鎂合金軋制后耐蝕性明顯增強。且軋制試樣的腐蝕電位明顯高于鑄造試樣。兩種試樣的耐蝕性下降趨勢對應于:扎制>鑄件。

鎂合金腐蝕是由于其失去電子發生陽極溶解。因此，鎂合金基體的電子損失閾值決定其抗腐蝕能力。當Mg合金電子損失受到抑制時，其耐蝕性就會提高。功函數可以用來衡量電子損失的能力。在許多研究中，功函數被用于評價合金的耐蝕性。所以，功函數越高，鎂合金就越不容易失去電子。功函數可以通過第一性原理計算得到，一般由真空電勢與鎂合金的費米能級之差得到。為了獲得鑄態和軋制態ZM5鎂合金表面功函數，利用第一性原理對其表面功函數進行計算。根據XRD等對鑄態和軋制態微觀結構的分析可知，鑄態ZM5鎂合金以(101?1)為主要結晶取向，對于軋制后的ZM合金，(0002)為主要結晶取向，分別建立了鑄態和軋制態的分子模型，采用平板模型對金屬表面進行模擬。(0002)的功函數比(101?1)高約18%。通過對鑄態和軋制態ZM5鎂合金表面功函數的計算，可以發現軋制后ZM5鎂合金表面電子損失閾值顯著提高。軋制后ZM5鎂合金耐蝕性提高。

總結

(1)ZM5鎂合金軋制后力學性能有所提高，微觀組織觀察表面軋制工藝細化了ZM5鎂合金的晶粒，并形成了擇優取向。

(2)ZM5鎂合金軋制后在3.5wt% NaCl溶液中腐蝕失重、析氫量明顯下降，腐蝕電位、極化電阻顯著上升，表明軋制工藝有效提升了ZM5鎂合金的耐腐蝕性能。

(3)ZM5鎂合金軋制后的擇優取向是影響其耐腐蝕性能的重要因素。不同取向間功函數的差異是導致耐蝕性變化的原因，通過模擬計算表明軋制后鎂合金主要取向的電子功函數高于鑄態，使其具有更好的耐蝕性。

作者簡介

宋東東，博士，副教授，任職于華北電力大學能源動力與機械工程學院，中國腐蝕與防護學報青年編委，從事金屬材料環境腐蝕機理與防護新工藝開發工作，包括海洋與工業污染等苛刻大氣環境下金屬及其表面防護涂層環境腐蝕損傷機理研究、綠色節能多功能防護涂層開發、鎂鋁合金表面微弧氧化技術研究、電化學增材制造、環境損傷與裝備安全服役標準化評價等。

萬紅霞，博士，副教授，博導，任職于中國石油大學（北京）新能源與材料學院，研究領域為油氣裝備材料腐蝕與防護，壽命評估，安全性評價等，主要包括油套管含硫腐蝕和CO2腐蝕，長輸管線雜散電流腐蝕與陰極保護，輸氫管道氫脆研究等方向。作為項目負責人主持國家自然基金青年基金，重點研發計劃子課題、校拔尖人才啟動金、企業橫向課題等項目10余項。以第一作者和通訊作者在腐蝕領域頂級期刊Corrosion Science、JMST等上發表論文40余篇。擔任中國腐蝕與防護學報、Petroleum Science等青年編委。