双相Mg-7.5Li-3Al-1Zn合金的微观组织和耐蚀性能研究

科研 4年前 2021-06-02 浏览 57

镁合金作为最轻的结构金属材料，在其中加入锂不仅可以进一步降低合金密度，当锂添加量为5-11 wt%时，还可以形成含密排六方结构镁和体心立方结构锂的双相镁锂合金，改善成形性能和强度。目前针对双相Mg-Li合金的力学性能已经开展了较多研究，但关于其耐蚀性的影响研究较少，尤其是关于合金元素种类和含量的研究。双相Mg–Li合金的电化学稳定性强烈依赖于后续塑性变形或热处理引起的组织变化。考虑到Mg–Li合金中的腐蚀过程主要由α(Mg)和β(Li)之间的腐蚀微电池引起，因此研究α(Mg)和β(Li)的面积比对于双相Mg-Li合金腐蚀性能的影响具有重要意义。

近日，来自加拿大韦仕敦大学的Anna Dobkowska博士等人通过在AZ31合金中添加7.5 wt%的锂制备了Mg-7.5Li-3Al-1Zn双相合金，并分别进行挤压、挤压+退火处理，研究了退火后处理引起的组织变化对于该合金腐蚀行为的影响。结果发现，挤压和挤压+退火处理的Mg-7.5Li-3Al-1Zn主要由α(Mg)和β(Li)组成，挤压后的Mg-7.5Li-3Al-1Zn中存在AlLi、Mg17Al12和Θ-MgLi2Al相，而退火处理的Mg-7.5Li-3Al-1Zn主要存在AlLi和Mg17Al12相。挤压后的合金在3.5 wt% NaCl溶液中不耐腐蚀，腐蚀电流密度为2.13 mA·cm-2；退火处理后，由于合金中β(Li)/α(Mg)的面积比增加，合金的耐蚀性能提高，腐蚀电流密度为0.68 mA·cm-2。

系统研究了Mg-7.5Li-3Al-1Zn合金在挤压和挤压+退火处理后的微观组织。结果表明，两种处理方式的合金均由α(Mg)和β(Li)组成。挤压后，Mg-7.5Li-3Al-1Zn合金中存在典型的枝晶组织，α(Mg)和β(Li)的含量分别为71%和29%；在350 ℃下退火1 h后，Mg-7.5Li-3Al-1Zn合金中部分枝晶组织向胞状组织转变，且由于锂在高温下的扩散比镁更快，β(Li)的含量增加，α(Mg)和β(Li)的含量分别为65%和35%（图1）。选区电子衍射（SAD）结果表明，挤压处理合金内部还存在AlLi、Mg17Al12以及Θ-MgLi2Al等第二相；而退火处理的合金中存在AlLi和Mg17Al12相（图2）。EBSD结果表明，两种合金中的α(Mg)和β(Li)均随机取向，且合金内部存在大量取向为{01-10}的晶粒(图3a和c，蓝色)，以及分布不均匀的取向为{-12-10}(绿色)和{0001}(红色)的晶粒。退火处理后，晶粒取向发生改变，{0001}取向的晶粒增加，{-12-10}取向的晶粒数量减少。

图1 挤压态Mg-7.5Li-3Al-1Zn的：a)OM，b) c)SEM图像，挤压+退火处理的Mg-7.5Li-3Al-1Zn的：d)OM，e) f)SEM图像

图2 a) b) c)挤压态和d) e) f)挤压+退火处理的Mg-7.5Li-3Al-1Zn合金的亮场TEM和选区电子衍射(SAD)图像

图3 垂直于挤压方向的表面的EBSD数据：挤压态Mg-7.5Li-3Al-1Zn的a)IPF图，b)β(Li)分布，挤压+退火处理的Mg-7.5Li-3Al-1Zn的c)IPF图，d)β(Li)分布

研究了两种处理方式Mg-7.5Li-3Al-1Zn合金腐蚀行为的差异。在双相Mg-Li合金中，主要的腐蚀过程在α(Mg)和β(Li)之间进行。EIS和极化曲线测试结果表明，挤压态Mg-7.5Li-3Al-1Zn合金在3.5 wt% NaCl溶液中表现为活化腐蚀，腐蚀电流密度为2.13 mA·cm-2；而退火处理后，虽然合金也表现出活化腐蚀，但其腐蚀电流密度为0.68 mA·cm-2，腐蚀电位更正（图4和表1）。这可能是因为挤压态Mg-7.5Li-3Al-1Zn合金腐蚀后，在表面生成了疏松易脱落的Mg(OH)2腐蚀产物膜，对基体保护作用较差（图10）；而退火处理的Mg-7.5Li-3Al-1Zn合金虽然在腐蚀后也形成了易脱落的Al2O3腐蚀产物层，但合金中的β(Li)含量增多，降低了腐蚀微电池中阴极与阳极的大面积比，且退火后形成了大量具有低表面能的{0001}取向晶粒，晶粒溶解速度变慢。研究结果表明，退火处理可以提高双相Mg-7.5Li-3Al-1Zn合金的耐蚀性，但相比于AZ31合金，Li元素的添加会导致阴极反应增强，腐蚀扩展速度加快。