第一作者：宋东东

通讯作者：万红霞

通讯单位：中国石油大学(北京)

CSTR: 32134.14.1005.4537.2023.029

DOI: 10.11902/1005.4537.2023.029

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本文采用析氢、失重、电化学阻抗谱(EIS)、动态电位极化测试、XRD和SEM等方法对比研究了轧制前后ZM5镁合金腐蚀性能和微观组织的变化，并通过第一性原理分析研究了合金不同微观组织的电子功函数，探究轧制对ZM5镁合金腐蚀性能的影响。结果表明，轧制使ZM5发生明显的择优取向，轧制后ZM5的腐蚀失重、析氢量都显著下降，而极化电阻明显上升，表明轧制态镁合金的耐蚀性优于铸造镁合金。模拟计算结果表明α相的重排提高了轧制合金的电子功函数。

背景介绍

镁合金作为最轻的金属结构材料，近年来在航空航天、汽车等各个工业领域受到越来越多的重视。随着装备性能要求的不断提升，提高镁合金力学性能一直是研究的热点。塑性变形已被成功用于改善力学性能，如轧制、挤压和锻造已成功用于制造细晶镁合金。然而，镁合金在应用中，尤其是在恶劣的腐蚀环境中，耐蚀性较差。如何在提高镁合金的力学性能时，并确保良好耐腐蚀性能是研究者一直关注的焦点。虽然关于工艺对镁合金腐蚀性能影响的研究较多，但关于轧制工艺中的择优取向作用的研究较少。择优取向对改善镁合金的力学性能有重要作用，其对镁合金耐蚀性的影响有待进一步验证。

本文亮点

本文采用失重、电化学阻抗谱(EIS)和动态电位极化测试等方法研究了ZM5镁合金轧制前后的腐蚀行为。通过第一性原理计算，研究了择优取向的作用。通过实验和计算说明了择优取向对镁合金腐蚀行为的影响，以期为工艺优化提供有效依据。

图文解析

图1 本文图文摘要

ZM5镁合金铸态时，β相(亮)沿α相(暗)晶界析出，β相在空间上呈网状分布。通过扫描电镜观察，铸态合金的晶粒尺寸在50~100μm左右。轧制后，小β相颗粒簇沿轧制方向排列，并观察到一些明亮的金属间化合物。轧制后的ZM5镁合金形态可能受到加工工艺影响导致金属间化合物的断裂。铸锭与轧制后的ZM5镁合金在结晶学取向上存在差异。轧制后的ZM5镁合金出现了较高的(0002)取向峰，表明动态再结晶优先服从(0002)取向，轧制后的ZM5镁合金出现了(101?1)取向峰。从极化曲线的形状看，铸态和轧制态ZM5镁合金的形状相似，阳极均表现出活性溶解的状态。相比铸态，轧制态ZM5镁合金的极化曲线整体往左上进行了移动，轧制态表现出较好的耐蚀性。通过对极化曲线的腐蚀电位、腐蚀电流密度和Tafel斜率进行拟合，其结果如表1所示，可以发现，铸态ZM5镁合金的腐蚀电位低于轧制态，说明铸态ZM5镁合金腐蚀倾向高于轧制态ZM5镁合金。从腐蚀电流密度可以看出，铸态ZM5镁合金腐蚀电流密度明显高于轧制态，说明ZM5镁合金轧制后耐蚀性明显增强。且轧制试样的腐蚀电位明显高于铸造试样。两种试样的耐蚀性下降趋势对应于:扎制>铸件。

镁合金腐蚀是由于其失去电子发生阳极溶解。因此，镁合金基体的电子损失阈值决定其抗腐蚀能力。当Mg合金电子损失受到抑制时，其耐蚀性就会提高。功函数可以用来衡量电子损失的能力。在许多研究中，功函数被用于评价合金的耐蚀性。所以，功函数越高，镁合金就越不容易失去电子。功函数可以通过第一性原理计算得到，一般由真空电势与镁合金的费米能级之差得到。为了获得铸态和轧制态ZM5镁合金表面功函数，利用第一性原理对其表面功函数进行计算。根据XRD等对铸态和轧制态微观结构的分析可知，铸态ZM5镁合金以(101?1)为主要结晶取向，对于轧制后的ZM合金，(0002)为主要结晶取向，分别建立了铸态和轧制态的分子模型，采用平板模型对金属表面进行模拟。(0002)的功函数比(101?1)高约18%。通过对铸态和轧制态ZM5镁合金表面功函数的计算，可以发现轧制后ZM5镁合金表面电子损失阈值显著提高。轧制后ZM5镁合金耐蚀性提高。

总结

(1)ZM5镁合金轧制后力学性能有所提高，微观组织观察表面轧制工艺细化了ZM5镁合金的晶粒，并形成了择优取向。

(2)ZM5镁合金轧制后在3.5wt% NaCl溶液中腐蚀失重、析氢量明显下降，腐蚀电位、极化电阻显著上升，表明轧制工艺有效提升了ZM5镁合金的耐腐蚀性能。

(3)ZM5镁合金轧制后的择优取向是影响其耐腐蚀性能的重要因素。不同取向间功函数的差异是导致耐蚀性变化的原因，通过模拟计算表明轧制后镁合金主要取向的电子功函数高于铸态，使其具有更好的耐蚀性。

作者简介

宋东东，博士，副教授，任职于华北电力大学能源动力与机械工程学院，中国腐蚀与防护学报青年编委，从事金属材料环境腐蚀机理与防护新工艺开发工作，包括海洋与工业污染等苛刻大气环境下金属及其表面防护涂层环境腐蚀损伤机理研究、绿色节能多功能防护涂层开发、镁铝合金表面微弧氧化技术研究、电化学增材制造、环境损伤与装备安全服役标准化评价等。

万红霞，博士，副教授，博导，任职于中国石油大学（北京）新能源与材料学院，研究领域为油气装备材料腐蚀与防护，寿命评估，安全性评价等，主要包括油套管含硫腐蚀和CO2腐蚀，长输管线杂散电流腐蚀与阴极保护，输氢管道氢脆研究等方向。作为项目负责人主持国家自然基金青年基金，重点研发计划子课题、校拔尖人才启动金、企业横向课题等项目10余项。以第一作者和通讯作者在腐蚀领域顶级期刊Corrosion Science、JMST等上发表论文40余篇。担任中国腐蚀与防护学报、Petroleum Science等青年编委。