ME镁合金的腐蚀性能及稀土作用研究

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ME系合金起源于Mg-Mn镁合金,以Mn和稀土元素为主要合金元素,是一种性价比较高的镁合金。稀土元素是镁合金研究领域十分关注的合金化元素,镁合金中的稀土元素可净化合金液,细化镁合金晶粒,减少显微组织的疏松和热裂倾向,显著提高镁合金的高温强度、蠕变性能和耐热性,并改善合金的铸造与焊接性能。同时,适量的稀土元素也能够增强镁合金的耐蚀性能。目前,关于ME稀土镁合金的研究报道相对较少,而针对该系镁合金腐蚀性能的研究更为罕见。因此,了解把握其腐蚀性能及其在特定腐蚀环境的腐蚀机制,对于该系镁合金的应用极其必要。本课题将以ME稀土镁合金的实际应用为目的,统筹考虑稀土元素在改善镁合金中腐蚀性能方面的作用和稀土元素的配分与合金化成本,选取含La、Ce、Y的ME镁合金(ME-La、ME-Ce和ME-Y)为研究对象,并以Mg-Mn为参照,对ME镁合金的腐蚀性能进行研究,对稀土元素影响腐蚀性能的原因进行探讨。旨在通过实验研究和理论分析,优化ME耐蚀镁合金的组成与配方,为耐蚀ME镁合金的应用开发提供依据和参考。采用浸泡和电化学测试方法对含有不同种类和含量稀土元素(La、Ce、Y)的ME镁合金以及Mg-Mn镁合金进行了腐蚀性能测试,使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪和激光共聚焦显微镜分析了合金的腐蚀形貌、腐蚀产物,探究了稀土元素种类和含量对ME镁合金腐蚀过程的影响。结果显示,ME镁合金以及Mg-Mn镁合金的腐蚀速率都随着腐蚀的进行而下降,但ME镁合金的腐蚀速率明显小于Mg-Mn镁合金。三种含有不同稀土元素的ME合金中,ME-Ce和ME-Y的耐蚀性能优于ME-La,各合金系列中耐蚀性能最优的成分分别是ME-1.5La、ME-1.0Ce和ME-0.5Y。ME镁合金的腐蚀形式存在差异,ME-La和ME-Ce以点蚀为主,而ME-Y镁合金以均匀腐蚀为主,但腐蚀产物均为Mg(OH)2。三种稀土元素均可影响腐蚀前期表面膜的形成,使ME镁合金表面膜较Mg-Mn镁合金更为致密,其中Ce的作用最为显著。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪和透射电子显微镜并结合热力学计算对ME镁合金的稀土固溶状况、相组成以及稀土相数量与分布、合金晶粒大小等可能影响到实验合金腐蚀性能的微观组织特征的微观组织形貌进行了分析。分析表明,ME合金均主要由α-Mg固溶体基体相、Mg-RE金属间化合物(Mg17La2、Mg12Ce、Mg24Y5)第二相组成,其中化合物相分布于晶界。稀土元素La、Ce、Y均有细化晶粒的作用,随着稀土含量的增加,合金的晶粒得到明显细化,晶界数量增多。La、Ce在基体中几乎不固溶,主要形成金属间化合物,而Y则有较大的固溶能力,超过固溶限度的部分也将参与金属间化合物的形成。合金中Mg-RE化合物分布于晶界,其数量随稀土含量的提高而增加,其中ME-Y合金的化合物数量明显小于ME-La和ME-Ce,分布也更为弥散。基于对ME镁合金腐蚀性能测试和微观组织结构的研究结果,通过对合金电化学阻抗谱的测试和用扫描探针显微镜对合金微电偶电动势以及组成相电势的测定,探究了ME镁合金的电化学腐蚀机理,分析了稀土元素对ME镁合金腐蚀的影响。结果表明,La、Ce、Y三种稀土元素都有提高ME合金表面膜致密度的作用,其中Ce的作用尤为显著。稀土化合物Mg-RE与α-Mg固溶体基体之间有较大的电势差,在腐蚀过程中构成腐蚀原电池而形成微电偶腐蚀;稀土元素的固溶可以提高α-Mg固溶体的自腐蚀电位,有利于降低基体的腐蚀速率。La、Ce较Y更容易形成稀土化合物,化合物的微电偶腐蚀以及伴随的晶粒脱落是ME-La和ME-Ce合金的主要腐蚀机制;Y元素的固溶能力较强,固溶造成的内应力将引发基体发生微区腐蚀,而在较高含量时也同样发生微电偶腐蚀,所以基体的均匀腐蚀以及化合物的轻微电偶腐蚀是ME-Y合金的腐蚀机制。
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