钇(Y)与钕(Nd)协同调控Mg-Zn-Gd系合金腐蚀行为的机制研究及其工程应用价值

镁合金因其轻量化优势在工程领域潜力巨大，但腐蚀问题严重制约其应用。内蒙古自治区团队通过调控Y/Nd配比，系统研究了Mg-1.8Zn-1.2Gd-0.5Zr-0.3Ca合金中稀土元素的协同作用机制。研究发现Nd会形成Mg41Nd5相加剧电偶腐蚀，而Y促进14H-LPSO（长周期堆垛有序）相形成提升耐蚀性。第一性计算揭示Y可抑制Nd在基体扩散，为高耐蚀镁合金设计提供新思路。

　　

镁合金作为最轻的金属结构材料，在地壳中储量丰富（2.7 wt%），其比强度在工程材料中独占鳌头。然而这个"轻量化冠军"却长期被腐蚀问题困扰——在潮湿环境中，镁合金表面形成的氧化膜疏松多孔，如同破败的城墙无法抵御侵蚀；更棘手的是，当研究人员通过添加合金元素提升其力学性能时，往往会导致耐蚀性进一步恶化。这种"按下葫芦浮起瓢"的困境，使得镁合金在航空航天、生物医疗等领域的应用举步维艰。

内蒙古自治区的研究团队将目光投向了稀土元素这对"黄金搭档"——钇(Y)和钕(Nd)。这两种元素在镁合金中展现出奇妙的"双面性"：Nd能细化晶粒却可能加速腐蚀，Y则可能通过形成特殊相结构提升性能。但二者究竟如何"默契配合"来影响Mg-Zn-Gd系合金的腐蚀行为？这个关键科学问题亟待解答。

研究人员采用电弧熔炼法制备了系列Mg-1.8Zn-1.2Gd-0.5Zr-0.3Ca-xY-yNd合金，通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等技术解析微观结构，结合电化学测试和第一性原理计算，系统揭示了Y/Nd的协同作用机制。

微观结构分析
XRD图谱显示，随着Y含量增加，合金中逐渐出现14H-LPSO相特征峰，这种长周期堆垛有序结构在腐蚀过程中能形成致密保护层。而高Nd合金中则检测到Mg₄₁Nd₅相，该相与基体间存在显著电位差（85 mV），成为微电偶腐蚀的"导火索"。

腐蚀行为机制
电化学测试表明，含9 wt% Nd的合金腐蚀速率最高，因其形成了大量Mg₄₁Nd₅相；而含6 wt% Y的合金表现出最优耐蚀性，腐蚀电流密度降低约40%。研究人员通过第一性计算发现，Y的加入能显著提高Nd原子在镁基体中的扩散激活能（从1.8 eV升至2.3 eV），有效抑制有害相的形成。

相组成调控
在T4-8热处理后，合金中Zn-Zr富集相的电位差（126 mV）仍低于其他第二相。特别值得注意的是，14H-LPSO相能引导腐蚀沿特定晶面发展，形成平整的腐蚀前沿，避免局部点蚀造成的灾难性破坏。

这项发表于《Journal of Alloys and Compounds》的研究，首次阐明了Y/Nd协同影响镁合金腐蚀的"双刃剑"效应：Nd虽能细化晶粒，但其形成的Mg₄₁Nd₅相如同"特洛伊木马"诱发腐蚀；而Y则像"防腐工程师"，通过促进14H-LPSO相形成和抑制Nd扩散来构筑防护体系。该成果不仅为开发新型耐蚀镁合金提供了成分设计准则，更创新性地将第一性原理计算应用于腐蚀机理研究，为材料基因组工程在腐蚀领域的应用开辟了新途径。

研究团队特别指出，未来可通过精确控制Y/Nd原子比（建议6:3）来优化合金性能，这种成分设计策略在生物可降解支架、航空航天紧固件等对腐蚀敏感的应用场景中具有重要价值。国家自然科学基金（U24A20106）等项目的支持，彰显了该研究在国家新材料战略布局中的重要意义。