一、研究背景

镁合金作为最轻的金属结构材料，在国防军工、舰载飞机、两栖装备等领域具有重要的应用价值。随着海洋强国战略的实施，海洋装备对轻质高强的材料需求急剧增大，海洋大气环境成为先进镁合金材料及结构件的重要服役环境之一。高温、高湿、高盐、高太阳辐照的严酷海洋环境中，镁合金极易发生腐蚀，严重影响装备的安全运行。因此，开展严酷镁合金腐蚀损伤规律和环境适应性研究，可以在装备研制过程中，留出足够的腐蚀裕量，做好充分的腐蚀防护，从而为镁合金装备的服役提供可靠的理论和数据支持。

最近，中国科学院海洋研究所侯保荣院士、段继周研究员团队的蒋全通副研究员等人依托中国科学院海洋研究所南海腐蚀试验场和科学号科考船试验场，采用长周期暴露腐蚀试验和海水电化学腐蚀试验等手段，研究了Mg-5Y-1.5Nd-xZn-0.5Zr (x=0, 2, 4, 6 wt.%)合金在南海暴露试验场和科学号科考船腐蚀后的腐蚀特征、腐蚀规律及腐蚀机理，研究表明Mg-5Y-1.5Nd-4Zn-0.5Zr合金在严酷的海洋大气环境中具有最好的耐腐蚀性能，这与合金析出相的种类及分布状态密切相关，镁合金平均腐蚀深度与平均腐蚀失重速率的线性关系是波动的，其主要取决于合金本身的耐腐蚀性能。镁合金的本征耐蚀性越好，PW与△W的比值越大。通过研究稀土镁合金在严酷海洋环境中的暴露腐蚀特征以及力学强度损伤规律，揭示了其在高温、高盐、高湿、高辐照条件的腐蚀机理，为镁合金在海洋环境中的应用提供可靠的数据支持。

二、图文导读

文章首先制备了Mg-5Y-1.5Nd-xZn-0.5Zr(x=0, 2, 4, 6 wt.%)合金。锌含量不同，合金的微观组织结构差异明显，如图1所示。锌含量增加，晶界上共晶析出相体积分数和分布呈现相似的变化趋势。采用Image Pro Plus 6.0软件计算析出相体积分数：(a)=3.67%;(b) = 11.26%；(c) = 19.78%；(d) = 26.85%。晶粒尺寸变化不明显。当Zn含量增加到2 wt.%时，组织由等轴α-Mg基体和晶界不连续的网状共晶组织组成。在α-Mg基体中，晶界附近有许多平行分布的针状析出相。这些针状相从晶界的块状相扩展到晶粒内部。随着Zn含量的增加，针状LPSO结构相的数量增加，并从大量的LPSO相延伸出来，但在相邻晶粒中，这些LPSO结构相的取向不同。在Mg-5Y-1.5Nd-0.5Zr合金中，析出相化学成分主要为Mg24RE5和Mg12RE。随着Zn含量增加，共晶相中Zn元素比例逐渐增大。在非平衡凝固过程中形成Mg12REZn相，导致晶界处Zn含量较大。当Zn含量达到6 wt.%时，析出相化学成分由(Mg, Zn)4RE变为(Mg, Zn)5RE。

图1 Mg-5Y-1.5Nd-xZn-0.5Zr (x=0, 2, 4, 6 wt.%)镁合金的微观组织结构分析及其在海洋大气环境中的暴露腐蚀试验

试样在南海和科学号科考船的长周期暴露腐蚀试验结果分析如图2所示，在严酷的南海海洋大气环境中，Mg-5Y-1.5Nd-4Zn-0.5Zr合金平均腐蚀速率最小0.0224 g·cm-2·y-1，Mg-5Y-1.5Nd-6Zn-0.5Zr合金的腐蚀速率最大0.0782 g·cm-2·y-1。这种现象与析出相的数量和分布有关。平均腐蚀失重速率顺序为：Mg-5Y-1.5Nd-4Zn-0.5Zr < Mg-5Y-1.5Nd-2Zn-0.5Zr < Mg-5Y-1.5Nd-0.5Zr < Mg-5Y-1.5Nd-6Zn-0.5Zr。合金暴露腐蚀2年后的腐蚀深度PW (mm·y-1)也表现出相同的规律。科学号西太平洋航次暴露腐蚀试验后，Mg-5Y-1.5Nd-4Zn-0.5Zr合金的平均失重速率最小0.0285 g·cm-2·y-1 (0.0661 mm·y-1)，Mg-5Y-1.5Nd-6Zn-0.5Zr合金的平均失重速率最大为0.0840 g·cm-2·y-1 (0.1394 mm·y-1)。腐蚀产物都比较致密，这可能与合金元素的种类密切相关。科考船在远洋航行中样品的平均失重速率和腐蚀深度均大于南海大气环境。出现这种现象的原因是，科考船在远洋航行中，被溅起的海浪弄湿了样品。由于风浪作用，试样经历了干湿交替，腐蚀更为严重。

图2 Mg-5Y-1.5Nd-xZn-0.5Zr镁合金在南海和科学号科考船的长周期暴露腐蚀试验结果分析

镁合金的腐蚀产物也主要由Mg(OH)2、Mg3(CO)4(OH)2·4H2O、Y(OH)2和Zn(OH)2组成，如图3所示。失重速率(△W)与腐蚀深度PW (mm·y-1)之间的定量关系可以用公式PW≈k△W来计算。K在实验室实验中是一个常数。在海洋大气环境暴露试验中，k为一个系数，该系数随腐蚀速率的增加而减小。科考船远洋航行中Mg-5Y-1.5Nd-xZn-0.5Zr (x= 0,2,4,6 wt.%)样品的定量关系分别为PW≈1.85△W、PW≈2.14△W、PW≈2.32△W、PW≈1.66△W。相比之下，耐蚀性越差的镁合金自腐蚀速率越大，导致科考船的k值偏差较大。在海洋大气暴露试验中，K值受到腐蚀环境和腐蚀速率的影响，这与环境因素有关，包括温度、相对湿度、太阳辐射、无机盐的种类和浓度、降雨和风等。耐蚀性越差的镁合金，其自腐蚀速率越大，导致海洋大气暴露试验的k值与实验室浸泡试验的k值偏差较大。

图3 Mg-5Y-1.5Nd-xZn-0.5Zr镁合金的腐蚀失重速率与腐蚀深度关系图、

Mg-5Y-1.5Nd-4Zn-0.5Zr合金的SKPFM分析、析出相对镁合金耐腐蚀性能的作用

稀土镁合金中析出相的晶体结构种类不同，对合金的本征耐蚀性的影响也不同，这与析出相的金属活性密切相关。金属析出相的原子堆积致密度越高，析出相越稳定，活性越低。比α-Mg基体HCP结构致密的析出相，金属活性比α-Mg低，处于相对稳态，通常会作为微电偶腐蚀的阴极加速镁基体的腐蚀；反之，金属活性比α-Mg高的阳极析出相，在腐蚀过程中优先代α-Mg基体腐蚀。经过上述分析，原子堆积致密度较低的Mg12RE金属相比α-Mg基体具有更高的活性，更容易发生腐蚀反应，具有较大晶胞参数的Mg12REZn相的有序HCP结构比α-Mg基体具有更高的金属活性，因此，沉淀相Mg12RE锌和Mg12RE都具有更大的负电位。随着Zn含量的增加，Mg12REZ相（有序HCP）的数量和分布逐渐变大，比α-Mg基体优先腐蚀，在一定程度上提高了Mg-5Y-1.5Nd-xZn-0.5Zr合金的耐腐蚀性。然而，阳极析出相的影响是双向的。当锌含量达到6 wt.%时，提高耐腐蚀性的作用不再占主导地位，Mg12REZ相的快速腐蚀加速了材料腐蚀的进程，因此，Mg-5Y-1.5Nd-6Zn-0.5Zr合金的耐腐蚀性急剧下降。

三、结论与展望

综上所述，本研究表明镁合金在海洋大气环境中耐蚀性顺序为：Mg-5Y-1.5Nd-6Zn-0.5Zr< Mg-5Y-1.5Nd-2Zn-0.5Zr < Mg-5Y-1.5Nd-4Zn-0.5Zr，合金腐蚀深度与腐蚀失重速率线性关系是波动的，取决于合金本征耐蚀性。本征耐蚀性越好，PW与△W比值越大。另一方面，镁合金的本征耐蚀性与微观组织结构、析出相种类及分布状态密切相关。合金中稀土元素会形成PBR＞1的致密产物膜，一定程度上提高合金耐蚀性；稀土阳极析出相单个晶胞堆积致密度比HCP结构的α-Mg更小，金属活性更高，会优先取代α-Mg基体腐蚀，一定程度上提高合金耐蚀性；阳极析出相、阴极析出相的相对数量、分布状态，对耐蚀性起双向作用（微电腐蚀加速效应和腐蚀屏障作用）。最后，本论文通过研究稀土镁合金在海洋环境中的腐蚀特征及损伤规律，揭示了其在高温、高盐、高湿、高太阳辐照下的腐蚀机理，为镁合金的应用提供了真实的数据支持。

四、文章信息

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2024年第12卷第01期：

[1] Quantong Jiang*, Dongzhu Lu, Liren Cheng, Nazhen Liu, Baorong Hou. The corrosion characteristic and mechanism of Mg-5Y-1.5Nd-xZn-0.5Zr (x = 0, 2, 4, 6 wt.%) alloys in marine atmospheric environment [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2024, 12(1): 139-158.

五、中文摘要

本论文采用金相显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪、扫描Kelvin探针力显微镜等手段分析了Mg-5Y-1.5Nd-xZn-0.5Zr (x = 0，2，4，6 wt.%)合金的微观组织结构和析出相的种类及分布状态。采用长周期暴露腐蚀试验和海水电化学腐蚀试验等手段，研究了合金在南海暴露试验场和科学号科考船腐蚀后的腐蚀特征、腐蚀规律及腐蚀机理，并在天然海水中进行了电化学腐蚀对比试验。综合结果表明：Mg-5Y-1.5Nd-4Zn-0.5Zr合金在严酷的海洋大气环境中具有最好的耐腐蚀性能，这与合金析出相的种类及分布状态密切相关，镁合金平均腐蚀深度与平均腐蚀失重速率的线性关系是波动的，其主要取决于合金本身的耐腐蚀性能。Mg-5Y-1.5Nd-4Zn-0.5Zr合金的显微组织中存在足够数量的阳极析出相，对合金的耐蚀性起着关键作用。

六、英文摘要

The microstructure and precipitated phases of as-cast Mg-5Y-1.5Nd-xZn-0.5Zr (x = 0, 2, 4, 6 wt.%) alloys were investigated by optical microscopy, scanning electron microscopy, energy-dispersive spectrometry and X-ray Diffraction. The exposure corrosion experiment of these magnesium alloys was tested in South China Sea and KEXUE vessel atmospheric environment. The corrosion characteristic and mechanism of magnesium alloys of Mg-5Y-1.5Nd-xZn-0.5Zr (x = 0, 2, 4, 6 wt.%) alloys were analyzed by weight loss rate, corrosion depth, corrosion products and corrosion morphologies. The electrochemical corrosion tests were also measured in the natural seawater. The comprehensive results showed that Mg-5Y-1.5Nd-4Zn-0.5Zr magnesium alloy existed the best corrosion resistance whether in the marine atmospheric environment and natural seawater environment. That depended on the microstructure, type and distribution of precipitated phases in Mg-5Y-1.5Nd-4Zn-0.5Zr magnesium alloy. Sufficient quantity anodic precipitated phases in the microstructure of Mg-5Y-1.5Nd-4Zn-0.5Zr alloy played the key role in the corrosion resistance.

七、作者简介

第一作者/通讯作者简介：

蒋全通（第一作者&通讯作者），中国科学院海洋研究所，海洋关键材料重点实验室，副研究员，硕士生导师，山东省腐蚀与防护学会理事，广东省腐蚀控制标准化委员会委员。长期从事严酷海洋环境中先进轻合金材料及装备的腐蚀与防护研究。作为负责人主持国家重大科研仪器研制项目课题、国家自然科学基金、山东省重点研发计划、海南省重点研发计划、青岛海洋科学与技术国家实验室“问海计划”、中国科学院国际合作局课题、国家重点实验室开放基金、青岛市关键技术攻关项目等20余项。发表材料腐蚀防护领域SCI论文60余篇；申请专利30余项，授权24项。担任国家自然科学基金、山东省自然科学基金评审专家；海南省、浙江省、深圳、青岛等省市科技计划项目评审专家；担任《Rare Metals》、《Corrosion Communications》、《Journal of Central South University》、《稀有金属》、《中国腐蚀与防护学报》、《特种铸造及有色合金》等期刊的青年编委；《Corrosion Science》、《Journal of Magnesium and Alloys》、《Materials & Design》、《Journal of Materials Research》、《Journal of the Electrochemical Society》、《Materials and Corrosion》等20余种期刊的审稿专家。