高强度高耐蚀低合金化镁合金的挤压制备与性能调控研究

镁合金在轻量化应用中面临强度与耐蚀性难以协同提升的挑战。本研究通过优化Mg-1Sm-0.8Mn-0.5Ca-0.4Zn合金的挤压工艺，获得屈服强度402 MPa、腐蚀速率0.56 mm y-1的优异综合性能。创新性发现腐蚀膜具有非晶特性，为低合金化镁合金性能突破提供新思路。

　　

镁合金作为最轻的金属结构材料，在航空航天、汽车工业等领域具有广阔应用前景。然而其固有缺陷——强度低、耐蚀性差，尤其是两者难以协同提升的"跷跷板效应"，严重制约了工程应用。传统解决方案往往依赖高合金化，但会导致成本激增和工艺复杂性提高。如何通过低合金化设计实现性能突破，成为学术界和产业界共同关注的焦点问题。

中国的研究团队在《Journal of Magnesium and Alloys》发表的研究中，创新性地开发出Mg-1Sm-0.8Mn-0.5Ca-0.4Zn挤压合金。该研究通过常规铸造结合热挤压的简单工艺，实现了屈服强度402 MPa、延伸率5%、腐蚀速率0.56 mm y^-1的卓越性能组合，其腐蚀速率与高纯镁相当。

研究采用扫描电镜(SEM)结合电子背散射衍射(EBSD)分析微观组织，透射电镜(TEM)表征纳米沉淀相，扫描开尔文探针力显微镜(SKPFM)测量微区电位差，并通过电化学测试和浸泡实验评估腐蚀行为。特别采用准原位观察技术追踪腐蚀膜形成过程。

3.1 微观组织特征
EBSD分析显示挤压态合金由平均尺寸1.1 μm的动态再结晶(DRXed)晶粒和未再结晶(un-DRXed)晶粒组成。TEM发现三种沉淀相：微米级Mg₂Ca和Mg₃Sm₂Zn₃，以及均匀分布的α-Mn纳米颗粒（平均直径9.6 nm，间距45 nm）。SKPFM测定Mg₂Ca与基体电位差为-196 mV（罕见阳极相），Mg₃Sm₂Zn₃为132 mV（阴极相）。

3.2 力学性能
挤压使屈服强度提升321 MPa，最终达到402±2 MPa，延伸率5.1±0.5%。强度贡献量化分析表明：细晶强化95.3 MPa，织构强化116.1 MPa，位错强化57.2 MPa，α-Mn沉淀强化78.2±8 MPa。

3.3 腐蚀行为
3.3.1 浸泡腐蚀速率
腐蚀速率从铸态的0.98 mm y^-1降至挤压态的0.56 mm y^-1，氢析出曲线显示后期趋于稳定。
3.3.2 短期腐蚀行为
准原位SEM观察发现阳极相Mg₂Ca因高反应活性阻碍完整腐蚀膜快速形成，而纳米级α-Mn阴极相因尺寸效应不影响成膜。
3.3.3 腐蚀膜结构
XPS和TEM证实腐蚀膜含CaCO₃（PBR值1.43）和非晶结构。HRTEM显示非晶基体中嵌有MgO纳米晶，FFT衍射晕证实非晶特征。
3.3.4 电化学测试
极化曲线出现180 mV钝化平台，EIS显示膜电阻R_f随浸泡时间从766 Ω·cm²增至4350 Ω·cm²，表明保护性持续增强。

4.1 高强度机理
通过"动态再结晶+动态沉淀"协同调控获得特殊细观组织：连续动态再结晶形成细晶；Mn的低固溶度促使α-Mn纳米相均匀析出；未再结晶区域形成高位错密度亚结构。计算表明α-Mn沉淀贡献近80 MPa强度增量，这在低合金镁合金中尤为罕见。

4.2 高耐蚀性机理
尽管基体存在强微电偶腐蚀倾向（阳极相Mg₂Ca与阴极相共存），但腐蚀膜的非晶特性有效阻隔腐蚀介质。非晶结构避免了晶界作为离子快速通道的缺陷，而CaCO₃的高PBR值进一步增强致密性。合金元素（特别是高价Sm³⁺）的富集降低了膜中氧空位浓度。

4.3 性能权衡突破
与传统认知不同，该研究证明低合金化（<3 wt%）镁合金可通过"基体组织设计+腐蚀膜调控"双重策略规避强度-耐蚀性权衡。在材料平原图中，该合金的比强度（单位合金含量的屈服强度）显著优于已报道材料，展现出优异的性价比优势。

这项研究为开发低成本、高性能镁合金提供了新范式：通过精准控制α-Mn纳米沉淀实现强化，利用非晶腐蚀膜实现防护，而低合金化确保工艺经济性。未来研究可进一步探索非晶膜形成机制，并优化第二相电位差，有望获得更卓越的综合性能。