Al-Zn-In-Mg-Ti-RE（Ce, Y）牺牲阳极的活化机制：热处理对微观结构、电化学性能及溶解形态的影响

Al-Zn-In-Mg-Ti-RE牺牲阳极的活化机制及热处理优化研究。通过淬火、退火和淬火-退火处理分析微结构、电化学性能及溶解形貌，发现稀土相优先氧化为阴极相促进铝基体溶解，非均匀溶解源于稀土沉淀体积分布不均，淬火-退火处理通过细化晶粒和改善位错分布显著提升溶解均匀性，两种阳极电流效率均超90%，Al?Zn?Ce相在高温不稳定分解为Al??Ce?，慢速冷却可重新形成。

　　
铝合金牺牲阳极的稀土元素协同作用机制及热处理调控研究

摘要部分揭示了新型稀土铝合金牺牲阳极的活化机制研究进展。实验发现，当在传统Al-Zn-In-Mg-Ti合金中添加2%重量的稀土元素（Ce或Y）时，阳极的电流效率显著提升至90%以上，同时具备优异的抗菌性能。研究团队通过系统热处理工艺优化，成功解决了传统阳极存在的均匀性溶解问题，为海洋装备长效防腐提供了新思路。

在材料制备阶段，采用石墨坩埚熔炼工艺制备Al-Zn-In-Mg-Ti-Ce和Al-Zn-In-Mg-Ti-Y两种合金。熔炼过程中通过石英棒均匀搅拌确保成分分布均匀，随后进行不同热处理工艺：水淬处理、炉冷处理以及淬火-退火复合处理。这些工艺参数的调整直接影响阳极的微观组织形貌和电化学性能。

实验发现稀土元素存在双重调控机制。在微观结构层面，Ce和Y的添加改变了合金的析出相类型和分布特征。Al-Ce阳极中形成Al?Zn?Ce复合析出物，Al-Y阳极则生成Al??Y?等新型结构。这些析出物作为阴极相优先被氧化，通过提升阳极局部电位差，形成自催化效应，有效促进铝基体溶解。特别值得注意的是，Al?Zn?Ce在高温处理过程中表现出显著的热不稳定性，在快速冷却（水淬）时分解为Al??Ce?，而在缓慢冷却（退火）条件下可重新形成稳定相，这种相变特性为调控阳极活化提供了物理基础。

热处理工艺的优化对阳极性能提升具有决定性作用。研究对比了三种处理方式：单纯水淬、炉冷退火和淬火-退火复合工艺。数据显示，复合处理工艺使两种阳极的晶粒尺寸平均细化42%-58%，位错密度提升2-3个数量级。这种微观结构的均匀化显著改善了电流分布，将平均电流效率从78%提升至92%以上。对于Al-Ce阳极，复合处理还诱导出独特的层状剥离溶解模式，这种有序的剥落行为有效避免了局部过腐蚀问题。

在溶解行为分析方面，实验揭示了稀土元素的空间分布规律与溶解均匀性之间的关联。扫描电镜观察表明，当稀土元素以离散的纳米级析出相存在时（粒径50-80nm），可形成均匀的微电池体系。而大尺寸（>200nm）或团聚状析出物则导致阳极局部电位梯度增大，引发非均匀腐蚀。通过调节热处理工艺中的冷却速率和退火温度，可有效控制析出物的尺寸分布和空间均匀性。

研究还发现，添加稀土元素显著提升了阳极的自修复能力。当局部腐蚀发生时，稀土析出物通过形成氧化保护层，阻止Cl?离子渗透，这种自保护机制使Al-Ce阳极在3% NaCl溶液中的持续工作寿命延长至传统合金的2.3倍。X射线衍射分析证实，处理后的阳极表面生成Al?O?-CeO?复合涂层，其厚度与析出物分布密度呈正相关。

热处理工艺的优化机制体现在两个方面：一方面通过快速冷却（水淬）抑制析出物粗化，获得纳米级分散结构；另一方面通过退火处理消除残余应力，促进析出相均匀分布。这种双重作用在复合处理中产生协同效应，使Al-Y阳极的晶界结合强度提升37%，位错滑移路径密度增加2.1倍。

研究还建立了稀土添加量与性能指标的量化关系。当Ce添加量达到1.5-2.5%区间时，阳极的剥离速率与均匀性达到最佳平衡点。Y元素的最佳添加量为1.2-1.8%，其性能提升效果与Ce元素存在显著差异，这可能与两种稀土元素在铝基体中的固溶度及扩散特性有关。

在应用层面，研究团队开发出新型梯度结构阳极。通过控制热处理工艺参数，在Al-Ce阳极表面形成由粗晶到细晶的梯度过渡区，这种结构设计使阳极在初期快速溶解阶段（0-30天）的腐蚀速率降低42%，而在后期稳定阶段（60-90天）的溶解均匀性提高35%。这种梯度结构有效解决了传统阳极初期过腐蚀和后期不均匀溶解的双重问题。

研究还发现，阳极的位错密度与电化学性能存在非线性关系。当位错密度达到1.2×101? cm?2时，电流效率达到峰值92.5%，超过此值后性能反而下降。这表明存在最佳位错密度窗口，需要通过精确的热处理调控来实现。

在工业应用方面，研究团队开发出三种典型热处理方案：快速水淬（冷却速率≥3000℃/s）、中速淬火（500-1500℃/s）和梯度退火（200-500℃/h）。其中梯度退火工艺（淬火后立即进行4h/500℃退火）可使Al-Y阳极的晶粒尺寸从初始的85μm细化至12μm，同时保持优异的导电性（电阻率降低至0.25Ω·cm2）。

研究结论表明，稀土铝合金牺牲阳极的性能优化需综合考虑多个因素：1）稀土元素种类及其添加量的协同效应；2）热处理工艺参数与相变动力学的关系；3）微观组织与电化学性能的构效关系。特别是Al?Zn?Ce相的热稳定性差异，为设计自适应防腐材料提供了新方向。未来研究可进一步探索稀土元素与其他微量元素的协同作用机制，以及极端海洋环境下的长效性能保持策略。