合金元素对镁合金腐蚀行为的影响

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目前,产品轻量化的发展成为了时代的主流,而镁及镁合金由于具有密度低,质量轻,比强度高,弹性模量大,减震性能好,铸造性能优异等优点,受到了广泛的关注和研究。然而,阻碍镁合金发展和广泛应用的主要障碍是镁合金的耐蚀性能差和复杂的溶解行为。因此,阐明镁及其合金腐蚀的机理对于设计耐蚀镁合金和扩大镁合金应用范围都具有重要意义。本文以Mg-x In(x=0.5,1,1.5 wt.%)、Mg-x Zn(x=1,1.5,2 wt.%)、Mg-x Sn(x=1.5,2,5 wt.%)合金为研究对象,采用动电位极化法分析了不同合金元素及其含量对镁合金腐蚀行为的影响,利用恒电流极化以及实时收集氢气实验对镁合金的电化学腐蚀行为进行了定量分析,通过扫描电子显微镜等表面分析技术研究了镁合金阳极恒电流极化后的腐蚀形貌,结合Tafel外推法定量分析了合金元素对镁合金负差数效应的影响。主要的研究结果如下:(1)动电位极化结果分析表明,在Mg中添加In元素可以提高镁合金在0.1 M Na Cl溶液中的耐蚀性能,且随着In含量的增加,耐蚀性能提高,其中固溶态Mg-1.5In合金的耐蚀性能最佳。Zn固溶在镁基体中可以在一定程度上提高镁合金在0.1 M Na Cl溶液中的耐蚀性能,其中固溶态Mg-1.5Zn合金的耐蚀性能最佳,但耐蚀性能不如固溶态Mg-In合金。随着固溶在镁基体中Sn含量的增加,Mg-Sn合金的耐蚀性能逐渐降低,其中Mg-1.5Sn合金的耐蚀性最好,但不如固溶态的Mg-1.5In合金以及固溶态Mg-1.5Zn合金。(2)固溶态Mg-In、Mg-Zn、Mg-Sn合金在阳极恒电流极化过程中均存在较为强烈的异常析氢现象。通过计算析氢反应交换电流密度(i0,H,Mg)可知,在阳极极化过程中,镁合金的析氢速率随i0,H,Mg的增加而增加,而i0,H,Mg反应了合金表面的催化活性。因此,在阳极极化过程中合金表面催化活性的增强是导致镁合金负差数效应的原因。通过分析合金表面腐蚀产物的覆盖率和腐蚀后表面阴极动力学可知,腐蚀产物不是导致镁合金出现负差数效应的主要原因。(3)对于Mg-In合金,阳极恒电流极化过程中测得的析氢速率明显依赖于Mg合金中In的浓度,异常析氢的速率随In含量的增加而降低,其中固溶态Mg-1.5In合金的速率最低。随着In含量的增加,镁合金的析氢反应交换电流密度逐渐降低,结合催化活性增强机理,说明In元素可以抑制镁合金的负差数效应。Mg-Zn合金的研究结果也表明,随着Zn含量的增加,抑制了镁合金的负差数效应。而在Mg-Sn合金中,随着Sn含量的增加,镁合金的析氢反应交换电流密度逐渐增大,表明合金表面的催化活性增大,对镁合金负差数效应的抑制能力降低。(4)在整个阳极电流密度范围内,固溶态Mg-In合金的析氢反应交换电流密度最低,其次是固溶态Mg-Zn合金,而固溶态Mg-Sn合金最高。抑制镁合金负差数效应的能力按照Mg-Sn<Mg-Zn<Mg-In的顺序增加。镁合金中添加的合金元素的交换电流密度能够影响镁合金的负差数效应,合金元素的交换电流密度越低,其抑制镁合金负差数效应的能力就越强。
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