通过Si添加提升CMT沉积Al/Mg异质结构的界面强度与短期腐蚀损伤容限

《Materials & Design》：Improvement of interfacial strength and short-term corrosion damage tolerance in CMT-deposited Al/Mg heterogeneous structures via Si addition

　　

通过Mg₂Si和富Si区域的形成，Si添加有效调控了Al/Mg异质结构中的界面反应；研究人员揭示了一种涉及裂纹偏转和点蚀抑制的耦合强化与腐蚀损伤容限机制；高Si铝填充丝提高了界面剪切强度，并将短期强度损失限制在约15%。

Al/Mg异质结构因兼具Al的高温强度和Mg的超低密度，在航空航天、汽车及轨道交通等轻量化领域应用广泛。然而Al与Mg标准电极电位差高达546 mV，远超100–130 mV的电偶腐蚀阈值，即使在大气环境中也容易发生电偶腐蚀，显著缩短服役寿命。同时，界面处形成的脆性Al-Mg金属间化合物（IMC，如Mg₁₇Al₁₂和Mg₂Al₃）严重损害力学完整性。因此，调控界面反应并提升耐蚀性是突破工程应用瓶颈的关键。Si作为一种低成本高效合金化元素，可通过形成高硬度、高熔点且热稳定性优异的Mg₂Si相抑制Al/Mg原子互扩散，阻碍脆性IMC生长并偏转裂纹；含Si腐蚀产物还有助于形成更致密的表面膜，减少Cl^?侵入。然而，冷金属过渡（CMT）定向能量沉积具有短热循环和快速凝固特点，其相分布与腐蚀路径可能区别于传统焊接接头，Si在其中的作用尚不明确。为此，研究人员采用CMT定向能量沉积，以不同Si含量的铝基填充丝制备Al/Mg异质结构，系统研究了Si对界面组织、裂纹扩展、电化学腐蚀行为及腐蚀后剪切强度的影响。该论文发表在《Materials》期刊。

研究人员使用三种铝基填充丝（ER1070、ER4043、ER4047）在AZ31B镁合金基板上进行CMT沉积。利用扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、能谱分析（EDS）、透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）表征界面微观结构与相组成；通过压缩剪切测试评价界面强度，并对比3.5 wt% NaCl溶液中浸泡1 h后的强度变化；采用开路电位（OCP）、电化学阻抗谱（EIS）、动电位极化（PDP）、X射线光电子能谱（XPS）及质量损失测试分析腐蚀行为。样本均为实验室制备。

3.1 结构的微观组织
SEM、EDS和XRD结果表明，无Si的ER1070试样界面由Mg₁₇Al₁₂+α-Mg共晶层、Mg₂Al₃层和α-Al层组成，界面厚度约150.3 μm。加入Si后，细小的Mg₂Si颗粒优先形成；随Si含量增加，Mg₂Si由弥散分布转变为连续网络，界面层厚度先增后减，ER4047试样平均IMC层厚度仅69.7 μm，且Mg₂Al₃层几乎消失。EBSD显示Si/Mg₂Si面积分数从零增至10.0%/5.3%，晶粒显著细化，ER4047中Mg₁₇Al₁₂的再结晶分数达100%。TEM观察到Mg₂Si与Mg₂Al₃形成非共格“折线”界面，界面能高，易成为腐蚀优先起始位置。

3.2 力学性能与断裂分析
压缩剪切测试表明，Si添加显著提高界面剪切强度：ER1070为38.80 MPa，ER4043为49.33 MPa，ER4047达到最高56.62 MPa。断裂路径观察显示，无Si试样裂纹沿连续脆性IMC层快速扩展，呈典型解理断裂；ER4047中Mg₂Si网络使裂纹反复钉扎、偏转和分支，断裂模式转变为准解理，显著增加了裂纹扩展能耗。

3.3 电化学结果
3.3.1 OCP和PDP曲线
OCP与PDP测试显示，三种沉积层的自腐蚀电位接近，但ER4047沉积层腐蚀电流密度最高，达4.3361×10^?3 A·cm^?2，归因于Mg₂Si颗粒、富Si区和Al-Si共晶结构引入大量微电偶，增强了电化学不均匀性。

3.3.2 电化学阻抗谱（EIS）
EIS结果显示，ER1070和ER4043沉积层在低频区呈现感抗特征，反映Cl^?导致的局部动态腐蚀；ER4047沉积层低频区转为容抗弧，表明初始溶解后表面状态演变，形成具有保护性的界面膜，阻抗提高。

3.3.3 腐蚀表面分析
XPS分析表明，腐蚀产物中SiO₂相对含量随Si增加而升高，ER4047沉积层达11.78 at.%，而ER1070中未检出。腐蚀形貌从大面积深腐蚀裂纹和凹坑（深度>54 μm）转变为局部点蚀；质量损失从约370 mg·cm^?2降至250 mg·cm^?2。

3.4 腐蚀对压缩剪切强度的影响
腐蚀1 h后，ER1070和ER4043结构的剪切强度下降约60%，而ER4047仅下降15.03%。高Si填充丝通过快速形成SiO₂富集钝化膜，有效抑制了Cl^?侵入，从而限制了短期腐蚀损伤。

讨论部分阐明了腐蚀与断裂机制：在NaCl溶液中，Mg优先溶解形成多孔的MgO/Mg(OH)₂膜，Cl^?易穿透该膜导致持续腐蚀；Mg₂Si发生选择性脱Mg，富Si残余物逐渐氧化为SiO₂，SiO₂可填充Al(OH)₃膜的结构缺陷，增强致密性和Cl^?屏障作用。断裂机制方面，Si通过形成Mg₂Si网络打断了脆性Al-Mg IMC层的连续性，使裂纹沿曲折路径扩展，提高了断裂能耗。

研究结论可概括为：（1）Mg₂Si在界面析出有效阻碍Al/Mg原子互扩散；Si增加界面层厚度主要体现在共晶区增厚，而随Si含量增加，Mg₂Si逐渐连续，界面厚度大幅减小至平均69.7 μm。（2）Al/Mg异质结构的腐蚀倾向介于Mg基体与铝基填充丝之间，ER4047沉积层腐蚀倾向和腐蚀速率较高，主要归因于Mg₂Si、富Si区和Al-Si共晶结构引起的电化学不均匀性。（3）在NaCl溶液短期浸泡后，结构表面形成Al₂O₃、MgO和SiO₂等钝化膜，其中ER4047沉积层的SiO₂相对含量最高，缓解了点蚀和腐蚀裂纹的扩展。（4）Si添加提高了界面强度，ER4047结构的压缩剪切强度约为56.62 MPa，腐蚀1 h后强度损失约为15.03%。这些发现为通过Si合金化改善CMT沉积Al/Mg异质结构的界面可靠性与短期腐蚀损伤容限提供了有效的冶金学策略。