挤压路径依赖的Mg-6Gd-1Zn-1Zr合金微观结构与腐蚀行为

《Materialia》：Extrusion-route-dependent microstructure and corrosion behavior of Mg-6Gd-1Zn-1Zr alloy

　　摘要热挤压会同时改变镁稀土合金中的晶粒尺寸和第二相形态，使得它们对腐蚀的影响难以区分。本研究比较了铸态、均匀化态（As-Hom）、正向挤压态（FE-φ10）以及复合正向剪切挤压态（CFSE-90°、CFSE-105°和CFSE-120°）的Mg-6Gd-1Zn-1Zr合金在3.5 wt.% NaCl溶液中的腐蚀行为。电子背散射衍射（EBSD）显示平均晶粒尺寸为4.95–6.93 μm，其中CFSE-105°的晶粒最细小，而CFSE-120°的再结晶分数最高（92.47%）。扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）揭示了与路径相关的共晶第二相区域和层状结构的分布，这些层状结构初步被认为与长程有序堆垛（LPSO）相关结构有关。然而，晶粒最细的样品并非耐腐蚀性最佳。经过96小时浸泡后，CFSE-120°表现出最低的质量损失率（11.43 ± 0.39%），显著低于其他加工条件。电化学分析表明，该条件下的膜电阻（503.6 Ω·cm2）、电荷转移电阻（471.4 Ω·cm2）和极化电阻（732.9 Ω·cm2）均为最高，同时表观腐蚀电流密度（413.4 μA·cm?2）最低。X射线光电子能谱（XPS）在CFSE-120°的腐蚀产物中鉴定出MgO、Mg(OH)?、Gd?O?和Gd(OH)?。这些结果将CFSE-120°的优异耐腐蚀性能归因于其高度再结晶的微观组织以及较少的LPSO相关层状结构和共晶区域，强调了晶粒结构和第二相分布的综合重要性。引言汽车、航空航天、生物医学、体育和电子行业对轻质材料的需求日益增长，使得镁合金因其低密度、良好的力学性能和优异的加工性能而备受关注[1]。同时，镁是理想的可生物降解和生物相容性金属，可用于生物可吸收植入物，避免二次手术取出[2–6]。镁的力学性能与人骨相似，有助于减轻应力遮挡效应[7–9]。然而，对应力腐蚀开裂的敏感性以及耐腐蚀性能不足仍然是镁合金的重要限制因素[10,11]。因此，如何提高镁合金的耐腐蚀性能仍是研究热点。Zhang等[12]制备了Mg-3Gd-1Zn-0.4Zr合金，经固溶处理和热挤压后，利用SEM进行表征，并通过析氢法和准原位方法研究腐蚀行为。结果表明，α-Mg相优先腐蚀，而共晶相和析出相具有较好的耐腐蚀性。挤压态合金由于晶粒更细、组织更均匀，表现出比铸态和固溶处理态更均匀的腐蚀。由此得出耐腐蚀性顺序为：铸态 > 挤压态 > 固溶处理态。已有研究探讨了合金化和塑性变形对微观组织和力学性能的调控，并研究了改善镁合金耐腐蚀性能的加工和表面改性策略[13–27]。Xi等[28]比较了铸态Mg-Zn-Y和Mg-Zn-Gd合金的腐蚀行为及机理。含稀土元素（RE）的Mg-RE-Zn合金可能含有LPSO结构或堆垛层错[29]。LPSO微观组织对腐蚀的影响仍存在争议，报道的腐蚀响应因其形态和空间分布而异[30–32]。这些对比性发现凸显了对Mg-6Gd-1Zn-1Zr合金在不同挤压路径下的晶粒结构、LPSO相关层状结构和共晶区域分布与腐蚀行为进行对比评估的必要性。这种比较可以识别与改善耐腐蚀性相关的微观组织组合，并为挤压路径选择提供依据。镁稀土合金的时效过程涉及析出和相演化[33]。时效前，采用高温固溶处理获得稀土元素的过饱和固溶体。过饱和固溶体是亚稳态的，为后续时效过程中的析出提供驱动力。Vostry等报道了Mg-14.55 wt.% Gd在等时热处理过程中的β″ → β′ → β析出序列，而在所研究的低Gd合金中未观察到β′[34]。镁合金的晶粒尺寸对其腐蚀性能也起着关键作用。晶粒细化改变了晶界网络，并与第二相分布相互作用，从而影响腐蚀行为[35]。晶体织构是另一个相关因素，因为暴露的晶粒取向会影响镁合金的腐蚀响应[36]。因此，同时考察晶粒尺寸、再结晶、晶界、织构以及第二相形态，为理解挤压对腐蚀的影响提供了更完整的基础。本研究比较了四种热挤压路径（FE-φ10、CFSE-90°、CFSE-105°和CFSE-120°），以考察Mg-6Gd-1Zn-1Zr合金微观组织演变与耐腐蚀性之间的关系。我们假设，与保留更多变形区域和大量层状结构的挤压条件相比，结合更充分再结晶和较少LPSO相关层状结构的挤压条件能够实现更低的浸泡质量损失和更低的表观腐蚀电流密度，即使未产生最小的平均晶粒尺寸。为了评估这种关系，将EBSD获得的晶粒特征和SEM观察到的层状及共晶区域分布与在3.5 wt.% NaCl溶液中的浸泡和电化学结果进行比较。该比较为优化挤压路径以改善耐腐蚀性提供了微观组织依据。部分片段实验材料的制备实验所需试样通过电阻炉在CO?/SF?保护气氛下进行重力铸造制备。在熔炼前的准备阶段，用800目砂纸粗磨每个合金块表面以去除氧化层。然后，将打磨后的合金块放入坩埚中，在750 °C下保温25分钟。随后将熔体倒入金属模具中并空冷。铸造合金被分割成Φ20的圆柱坯料。微观组织表征图3显示了Mg-6Gd-1Zn-1Zr合金的光学显微组织。可以看出，铸态合金的显微组织主要由α-Mg和沿晶界不连续分布的第二相区域组成（图3a）。均匀化处理后，晶粒明显粗化。As-Hom合金的显微组织主要由粗大、不均匀的晶粒和鱼骨状的第二相区域组成。此外，基体中还含有大量细小的颗粒（图3b）。挤压诱导的微观组织演变四种挤压路径产生了不同的晶粒结构，如反极图（IPF）和图15、图16中的晶粒尺寸分布所示。EBSD得出的平均晶粒尺寸分别为FE-φ10：5.73 μm、CFSE-90°：6.78 μm、CFSE-105°：4.95 μm和CFSE-120°：6.93 μm。CFSE-105°具有最小的平均晶粒尺寸。FE-φ10和CFSE-105°的纵向图包含具有异质局部排列的细晶粒，而更拉长的晶粒出现在...结论在本研究中，系统研究了Mg-6Gd-1Zn-1Zr合金在3.5 wt.% NaCl溶液中的腐蚀行为。此外，还分析和讨论了热挤压工艺对其耐腐蚀性能的影响及潜在机制。主要结论如下：1. EBSD得出的平均晶粒尺寸范围为4.95至6.93 μm，其中CFSE-105°表现出最小的平均晶粒尺寸。CFSE-90°和CFSE-120°表现出更高的再结晶分数和...资助国家自然科学基金青年基金，基于内耗理论的室温挤压超细晶纯镁变形机理及定量模型研究，彭金华，52405369，2025年1月–2027年12月。本研究未从公共、商业或非营利部门的资助机构获得任何特定资助。CRediT作者贡献声明Liling Zhao：写作 – 初稿，方法论，调查，形式分析，数据管理。Hongfu Xiang：写作 – 审阅与编辑，验证，监督，项目管理。Chaocheng Liu：方法论，调查，形式分析。Yang Xiang：方法论，调查，形式分析。Tianhao Gao：方法论，调查，形式分析。Fengjian Shi：验证，监督，资源，方法论。Weiguo Yang：验证，监督，数据管理。Jinhua Peng：Liling Zhao|Hongfu Xiang|Chaocheng Liu|Yang Xiang|Tianhao Gao|Fengjian Shi|Weiguo Yang|Jinhua Peng|Ye Cheng江苏科技大学材料科学与工程学院，中国江苏省镇江市