Mg-9Al-2Sn-Mn镁合金腐蚀行为的研究

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Mg-9Al-2Sn合金是近期开发的一种力学性能、铸造性能及性价比较好的新型镁合金体系。但是,耐腐蚀性能差仍然是限制其应用的主要因素。因此,研究Mg-9Al-2Sn合金的腐蚀机理,对于推进该合金的应用有着重要价值。目前,通过控制合金元素成分或对合金热处理是改善镁合金腐蚀性能的重要方法。本文采用浸泡实验、电化学测试、X-射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)及扫描电镜/能谱仪(SEM/EDS)等研究方法和设备,以不同Mn含量的Mg-9Al-2Sn镁合金作为研究对象,系统研究了Mn元素对Mg-9Al-2Sn合金的微观组织、腐蚀速率、电化学行为及腐蚀形貌的影响。同时,对Mg-9Al-2Sn-xMn (x=0,0.1,0.3,0.6)合金进行固溶(T4)和不同时间的固溶时效(T6)处理,以热处理后的合金为研究对象,分析了热处理方式对合金微观结构和腐蚀行为的影响。(1)SEM/EDS结果表明,Mn元素加入Mg-9Al-2Sn合金后,能够与Al形成Al8Mn5和Al8Mn5(Fe)块状相,并且随着Mn含量的增加,Al8Mn5和Al8Mn5(Fe)相的体积分数逐渐增加。当加入0.1wt.%和0.3wt.%Mn,合金的晶粒尺寸稍微有所减小,但当加入0.6wt.%Mn,晶粒尺寸反而大幅度提高。Mg-9Al-2Sn-xMn合金的浸泡实验和电化学测试结果表明,铸态Mg-9Al-2Sn-xMn合金腐蚀速率随着Mn含量的增加而逐渐降低。当加入0.1%Mn元素后,相比较Mg-9Al-2Sn合金,其腐蚀速率降低了70%。当Mn含量为0.3%,合金的腐蚀速率降低了95%,随后,当Mn含量上升到0.6%时,腐蚀速率有所降低,但减低的幅度很小。Mn元素有效提高Mg-9Al-2Sn-xMn合金耐腐蚀性能的原因可能归结于以下三点:(a).Mn元素能够有效去除合金中的有害元素Fe;(b).Al8Mn5和Al8Mn5(Fe)表面生成了一层厚且致密的氧化膜,导致其阴极活性低,从而不会作为阴极相加速α-Mg基体的腐蚀;(c).加入Mn元素后,由于Al8Mn5和Al8Mn5(Fe)相的形成,Al元素的再分布可以降低α-Mg基体β-Mg17Al12之间的电势差,进而减弱这两相之间的电偶腐蚀。(2)热处理方式对Mg-9Al-2Sn-xMn合金的微观结构有着重要的影响。在Mg-9Al-2Sn合金中,经过T4处理后,合金中大部分β-Mg17Al12和Mg2Sn相固溶进α-Mg基体,进而产生了过饱和的α-Mg相,并残留少量未固溶β-Mg17Al12相。经过不同时间的T6处理后,Al元素向晶界扩散,并在晶界处析出(α+β)共晶相。随着T6处理时间的增长,(α+β)共晶相体积分数不断增大,以非连续状态存在。对于含Mn元素的Mg-9Al-2Sn-xMn合金,在相同时间的时效处理前提下,(α+β)共晶相的体积分数随Mn含量的增加而增大,而合金中残留的β-Mg17Al12相体积分数则随Mn含量的增加而降低。但热处理对合金中Al8Mn5和Al8Mn5(Fe)相并没有任何影响。浸泡实验和电化学测试结果发现,Mg-9Al-2Sn合金的腐蚀速率与合金的热处理状态有关,铸态(F)、固溶态(T4)和时效态(T6)合金的腐蚀速率大小按降速排序为:T4>T6>F。这是由于F态合金中,β-Mg17Al12连续分布在合金内部,在腐蚀过程,它可以起到很好的保护作用来延缓腐蚀。T4态合金中,由于β-Mg17Al12固溶到Mg基体,其体积分数明显减小,不能起到保护作用。当T4态合金表面腐蚀开始后,腐蚀坑会不断纵向加深,导致了T4态合金的腐蚀速率最大。而T6态合金中,虽然合金会析出(α+β)相,但它并不是连续分布,并不能起到有效的保护作用;而且在腐蚀过程中,合金残留的p相一部分会脱落,使得少量剩余的p相起到的保护作用远不如F态中连续的β-Mg17Al12所起到的保护作用明显,从而导致T6态合金的腐蚀速率高于F态合金。对于含Mn元素Mg-9Al-2Sn-xMn合金,T4态合金的腐蚀速率最高,F态合金其次,T6态合金的腐蚀最小。对于时效不同时间的合金,腐蚀速率随着时效时间的增长而逐渐降低,当时效8h时,腐蚀速率最低。这是由于随着时效时间的增长,析出(α+β)共晶相体积分数不断增加并变得连续。腐蚀后残余在金属表面的p相能起到比F态中的β-Mg17Al12相更好的保护作用,这使得合金的腐蚀速率随着时效时间增长而不断降低。但在Mg-9Al-2Sn合金中加入Mn元素后,Mn的含量并未影响热处理方式对合金腐蚀性能的影响规律。对比AZ91D合金的耐腐蚀性能,AZ91D合金的腐蚀速率均小于铸态Mg-9Al-2Sn-xMn合金的。
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