机械合金化Cu-Zn和Cu-15Al-Zn合金在NaCl环境中的腐蚀行为

《Journal of Alloys and Compounds》：Corrosion behavior of mechanically alloyed Cu-Zn and Cu-15Al-Zn alloys in NaCl environment

Cu–Zn和Cu–Al–Zn合金通过机械合金化与热压处理在500℃、500MPa下制备，研究其盐雾环境腐蚀行为。发现Al的添加有效抑制脱锌，通过形成致密Cu?O、ZnO和Al?O?被动膜及稳定Cu?Al?、Cu?Zn?等金属间化合物，降低锌溶解并提升电化学稳定性。显微分析显示合金细化至97.2%致密度，硬度达8.25GPa。研究证实成分优化与微观结构调控可显著改善铜基合金耐蚀性，适用于海洋及结构工程。

　　铜及其合金因其优异的导热性和导电性、高机械强度以及天然的耐腐蚀性，广泛应用于结构和海洋工程领域。然而，在腐蚀性较强的环境中，如含有氯离子的盐水介质中，铜合金容易受到局部腐蚀的影响，其中包括点蚀和选择性溶解等现象。特别是在铜锌（Cu–Zn）合金中，一种名为“脱锌”（dezincification）的腐蚀形式尤为严重。脱锌指的是在腐蚀过程中锌优先溶解，导致合金结构破坏，从而影响其整体性能。因此，研究如何有效抑制脱锌，提升铜合金的耐腐蚀能力，具有重要的实际意义。

本研究聚焦于通过机械合金化与热压处理技术制备的Cu–Zn和Cu–Al–Zn合金在氯化钠（NaCl）溶液中的腐蚀行为。研究发现，Cu–Al–Zn合金相较于纯铜和Cu–Zn合金表现出显著更高的耐腐蚀性。这一现象与铝的添加密切相关。铝在腐蚀环境中能够促进形成紧密且稳定的氧化物薄膜，如Cu?O、ZnO和Al?O?，这些氧化物不仅能够有效阻挡氯离子的渗透，还能减少锌的溶解速率，从而提升合金的电化学稳定性。此外，铝的引入有助于形成稳定的金属间化合物，如Cu?Al?和Cu?Zn?，这些化合物的热力学稳定性及低扩散性进一步抑制了电化学反应的活性，从而增强了合金的抗腐蚀能力。

在微观结构方面，研究通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等手段对合金进行了分析。结果显示，机械合金化过程能够显著细化合金的微观结构，形成双相形态，并提高材料的致密度。具体而言，Cu–Al–Zn合金在热压处理后，其相对密度可达到97.2%，远高于未处理的材料。这种微观结构的优化不仅有助于提高材料的机械性能，还对腐蚀行为产生了积极影响。例如，合金中较高的硬度值，最高可达8.25 GPa，主要归因于固溶强化效应以及硬质金属间相的形成。这些硬质相的存在不仅提升了合金的强度，还对腐蚀过程起到了抑制作用。

研究进一步指出，合金的化学组成与微观结构之间的协同作用是提升其抗脱锌能力的关键。通过精确控制铝和锌的含量，可以实现对合金相组成的优化，从而在材料表面形成均匀且附着性强的保护性氧化层。这种氧化层能够有效阻断腐蚀介质的渗透路径，减少锌的溶解速率，同时增强材料的电化学稳定性。此外，合金的致密化处理，如热压，也对提高其耐腐蚀性起到了重要作用。热压过程通过消除材料中的孔隙，增强了晶界间的结合力，提高了材料的机械完整性，从而减少了腐蚀介质的渗透通道，降低了腐蚀速率。

值得注意的是，尽管脱锌机制在传统加工的Cu–Zn合金中已有较为深入的研究，但对于通过机械合金化和热压处理获得的具有复杂相分布的铜合金，相关研究仍较为有限。因此，本研究通过粉末冶金方法制备了致密且细晶的铜基合金，旨在探索其在氯化钠环境中的腐蚀行为。通过这一方法，研究人员能够更精确地调控合金的微观结构特性，如晶粒尺寸、相分布和金属间相的形成，从而为开发具有优异抗脱锌性能的铜合金提供理论支持和实践指导。

在实验过程中，研究人员采用了一系列先进的测试手段，包括电化学测试、微观结构分析以及机械性能评估。电化学测试结果表明，Cu–Al–Zn合金在3.5 wt.% NaCl溶液中的腐蚀速率明显低于纯铜和Cu–Zn合金。这主要得益于铝和锌的协同作用，它们共同促进了稳定氧化物薄膜的形成，并抑制了锌的优先溶解。同时，金属间相的出现也对腐蚀过程起到了一定的抑制作用，因为这些相的低扩散性减少了腐蚀介质与基体之间的相互作用。

微观结构分析进一步揭示了合金在机械合金化和热压处理后的变化。Cu–Zn合金在机械合金化过程中经历了显著的形态转变，原本的球形铜颗粒逐渐转变为扁平的片状结构。这种结构变化源于高能球磨过程中发生的严重塑性变形、反复断裂和冷焊等作用。而Cu–Al–Zn合金则表现出不同的微观结构特征，其晶粒尺寸更小，相分布更为均匀。这种细化的微观结构不仅提高了合金的致密度，还增强了其抗腐蚀能力。此外，合金中的金属间相能够有效分割腐蚀路径，减少腐蚀介质的扩散，从而降低整体的腐蚀速率。

在机械性能方面，研究发现，铝和锌的添加显著提高了合金的硬度。这一现象主要归因于固溶强化和金属间相的形成。固溶强化是指通过合金元素的加入，使基体金属的晶格畸变，从而阻碍位错的运动，提高材料的强度和硬度。而金属间相的形成则提供了额外的硬质相，进一步提升了合金的机械性能。值得注意的是，合金中铝和锌的含量越高，其硬度值也越高，这表明合理的元素配比对提升合金性能具有重要意义。

综上所述，本研究通过系统分析Cu–Zn和Cu–Al–Zn合金的腐蚀行为，揭示了合金元素的添加、微观结构的优化以及致密化处理对提升材料抗脱锌能力的关键作用。研究结果表明，通过合理的化学组成设计和先进的加工技术，可以有效提高铜合金的耐腐蚀性能，使其更适用于海洋、结构和电子等高要求的工程领域。此外，该研究还为未来开发新型铜基合金提供了理论依据和技术支持，推动了非传统加工方法在高性能材料制备中的应用。