熱處理對含稀土元素的鎂合金耐腐蝕性能的影響

摘要：鎂合金的耐腐蝕性能，不僅能通過添加稀土元素來增強，也可以通過熱處理工藝來提高。本文系統(tǒng)介紹了熱處理對含稀土元素的鎂合金耐腐蝕性能的影響的相關研究，并闡述了其內在機理。在總結分析基礎上，提出了未來研究的方向。

關鍵詞：鎂合金;耐腐蝕性;熱處理;稀土元素

鎂合金密度低，比強度和比剛度高，在要求輕量化的工程應用中有廣泛需求，如航天電子產(chǎn)品機箱、相機支架、飛機發(fā)動機部件以及變速裝置等[1-3]。鎂合金在汽車、3C工業(yè)、軍事、生物醫(yī)療等領域也得到了廣泛關注[4-5]。由于鎂合金還具有良好的生物相容性、力學性能和生物降解性，在骨科植入物中也具有廣泛的應用潛力[6-7]。

隨著鎂合金應用的逐步拓展，人們對于鎂合金優(yōu)良性能的需求不斷加大，鎂合金耐腐蝕性不佳的缺點也逐漸暴露，嚴重制約了鎂合金的廣泛應用[8]，迫切需要研發(fā)新技術來改善鎂合金的耐腐蝕性。多年來，研究者為提高鎂合金耐腐蝕性能進行了大量的研究。本文從熱處理工藝方面對含有稀土元素的鎂合金耐腐蝕性的相關研究進行了系統(tǒng)介紹，旨在梳理該領域的研究進展，并在總結分析基礎上，為下一步的研究提供建議，以更好服務于新興科技和產(chǎn)業(yè)對鎂合金材料的更高性能需求。

1 添加稀土元素對鎂合金耐腐蝕性能的影響

稀土元素主要在鎂合金中起到了三種作用[9]：（1）細化變質作用：首先，在熔體合金中添加稀土元素后，會在凝固過程中形成分布于晶界以及枝晶邊界上的第二相，這將阻礙原子的擴散，從而抑制晶粒的長大，達到細化合金組織的作用[10-11]。;（2）固溶強化作用：通常稀土元素在鎂基體中均具有比較大的固溶度，主要通過固溶降低原子擴散速率、阻礙位錯運動以達到固溶強化的作用;（3）時效沉淀強化作用：稀土元素固溶于鎂合金，在一定溫度下經(jīng)長時間的時效處理后，會形成細小彌散的沉淀析出物，沉淀相熔點高、熱穩(wěn)定性好且尺寸小，與鎂基體具有良好的界面關系，從而提高耐腐蝕性能。

為了提高鎂合金的耐腐蝕性，國內外學者對鎂合金中添加稀土元素進行了諸多探索。由于稀土元素的標準電極電位和鎂合金相近，且添加適量的稀土元素可細化鎂合金晶粒，因此可以提高鎂合金的耐蝕性，抑制其發(fā)生電化學腐蝕[12];但抗蝕性的效果好壞，還與鎂合金中第二相的數(shù)量和分布有關[13]。稀土元素的加入，可以細化晶粒，使得晶界增多，抗蝕性的粒子分散更為均勻，減緩腐蝕擴散，且與多種稀土協(xié)同作用的時候，效果更佳[14]。在稀土元素可細化鎂合金晶粒方面，有研究顯示，元素 Y、Nd、Gd 等稀土能通過細化鎂合金晶粒，來提高合金的耐腐蝕性[15-16]。

綜上，在鎂合金中添加稀土元素，會對其耐腐蝕性產(chǎn)生顯著的促進作用，而且還可以帶來其他的優(yōu)良性能，如抗拉、抗疲勞和耐磨性等。

2 熱處理對鎂合金耐腐蝕性能的影響

熱處理可以改善鎂合金的使用性能和工藝性能，使材料的潛力得到充分釋放。通過合適的熱處理手段，可以將組織粗大的鎂合金轉變?yōu)榻M織均勻、晶粒細小的組織，去除加工應力，穩(wěn)定工件尺寸;改善鎂合金中第二相的形態(tài)、結構和分布狀態(tài)，并且獲得良好且穩(wěn)定的綜合性能[17]。其中固溶處理（T4）、人工時效（T5）和固溶后人工時效（T6）是鎂合金常用的熱處理工藝方法。通過固溶處理，將提高不耐腐蝕性的第二相固溶于鎂基體中，形成過飽和的固溶體，提升耐腐蝕性，但時效處理往往會將固溶進去的不耐腐蝕的第二相重新析出而導致耐腐性能下降。

目前，已有不少關于熱處理提高鎂合金耐腐蝕性能的相關研究。如Aung等[18]的研究發(fā)現(xiàn)，熱處理可以提高AZ91D鎂合金在模擬體液中的耐腐蝕性;張帆等[19]研究了固溶處理對鎂合金耐腐蝕性能的影響，發(fā)現(xiàn)固溶處理可以提高鎂合金材料的耐腐蝕性能;劉寶勝等[20]對比了鎂合金進行固溶處理和時效處理后的耐蝕性能，發(fā)現(xiàn)經(jīng)時效處理的樣品耐蝕性最差，且隨著時效處理的時間延長，耐蝕性經(jīng)一步削弱，而固溶處理的樣品耐蝕性最好。

不同的熱處理工藝會對鎂合金耐腐蝕性產(chǎn)生不同程度的影響，所以對鎂合金采取合適的熱處理方法來改善其耐腐蝕性非常重要。

3 熱處理及添加稀土元素共同作用對鎂合金耐腐蝕性能的影響

目前，通過對鎂合金添加稀土元素，或者進行熱處理工藝，來提高耐腐蝕性能的研究相對較多，而采用熱處理及添加稀土元素兩者相結合的研究并不多。

3.1 稀土元素對于鎂合金在熱處理前的重要作用

稀土元素作為一種重要的合金化元素，具有獨特的核外電子排布，在冶金、軍工、材料等領域中起著不可替代的作用。稀土元素可改變第二相的形態(tài)、細化合金組織、凈化合金熔體、提高合金耐腐蝕性及力學性能等，而熱處理會影響第二相的分布、晶粒尺寸的大小等，以此進一步提高合金的耐腐蝕性。

在熱處理前，稀土元素的含量會直接對鎂合金的耐腐蝕性能產(chǎn)生較大的影響，如師慧娜等[21]、單玉郎等[22]和Xie 等[23]的研究，分別發(fā)現(xiàn)適量的稀土元素Dy、Gd和Y可以減小晶粒尺寸，有效增加鎂合金的耐腐蝕性能，而添加的稀土元素在適量的取值范圍之外時，鎂合金的耐腐蝕性能反而會降低。由于鎂合金的基體會與添加的稀土元素結合，生成耐腐蝕的第二相，為熱處理影響第二相的分布提供了基礎條件。

3.2 熱處理對含稀土元素鎂合金的重要影響

研究發(fā)現(xiàn)，進行過熱處理的稀土鎂合金，相較于沒有進行過熱處理的稀土鎂合金，前者的耐腐蝕性能要優(yōu)于后者。由于稀土鎂合金中會產(chǎn)生不耐腐蝕的陰極第二相和耐腐蝕性的第二相，因此，熱處理工藝會對稀土鎂合金的耐腐蝕性能產(chǎn)生重要的影響：固溶處理不僅可以將不耐腐蝕的陰極相固溶于鎂基體中，還可以改善耐腐蝕第二相的分布狀況，讓更多的耐腐蝕相分布于晶界處，并且將組織均勻化，提高耐腐蝕性;而進行了時效處理，則會將固溶于鎂基體中的陰極相重新析出，降低耐腐蝕性。

許多學者在熱處理工藝方面對稀土鎂合金的影響進行了多次的實驗和反復的比對。鄭麗鴿等[24]研究了Mg-1Zn-0.3Zr-2Gd-0.3Sr 合金在510 ℃ 的條件下固溶 10小時，隨后進行 220 ℃不同保溫時長的時效處理，發(fā)現(xiàn)時效時間為 4小時時，鎂合金的平均腐蝕速率最小約為 0.41 mm/a。張帆等[19]的研究表明，530 ℃固溶 8小時后，Mg-Dy-Zn 合金將析出相幾乎完全固溶進去，顯示出優(yōu)異的耐腐蝕性能。Jana等[25]發(fā)現(xiàn)，對添加了稀土元素的鎂合金進行合適的熱處理后，可在不損害生物相容性的情況下，使第二相重新分布，從而提高鎂合金的耐腐蝕性能。

還有一些研究，考察了固溶處理對于稀土鎂合金耐腐蝕性能的影響。如焦迪[26]等以含稀土Gd和Y元素的Mg-Gd-Y 鎂合金為試樣，通過不同的熱處理工藝手段，研究發(fā)現(xiàn)，固溶處理使得試樣的全部共晶組織和第二相粒子溶解到基體晶粒內，在晶粒中彌散均勻分布，且組織趨于均勻，耐腐蝕性能提高;在時效過程中，過飽和固溶體逐漸分解，并在晶界處產(chǎn)生一些小顆粒狀的析出物，導致耐腐蝕性能相比固溶態(tài)有所下降。然后，通過極化曲線分析，固溶態(tài)的鎂合金比時效態(tài)的腐蝕電位要高，腐蝕電流要小，而腐蝕電流越小，合金的耐蝕性能越好，更難發(fā)生腐蝕。孫毅[13]等對Mg-Zn-Y-Zr-Ca鎂合金的研究也得到了相同的結論。

上述研究顯示，合適的熱處理工藝（特別是固溶處理）可以進一步提高含稀土鎂合金的耐腐蝕性能，在提高鎂合金耐腐蝕性方面具有極大的作用。

4 熱處理增強含稀土元素的鎂合金耐腐蝕性能的作用機理

鎂材料通常作為陽極，會與雜質或陰極第二相組成電偶腐蝕對，腐蝕速率快。在鎂合金添加稀土元素會改善其組織結構、細化晶粒，產(chǎn)生耐腐蝕相等，熱處理會對其耐腐蝕性能做進一步強化。同時，熱處理會對稀土鎂合金的第二相分布、晶粒大小及均勻性等方面產(chǎn)生影響，并以此來增加稀土鎂合金的耐腐蝕性能。

為了綜合發(fā)揮稀土元素和熱處理的作用，研究者對添加了稀土元素的鎂合金進行熱處理。對稀土鎂合金進行固溶、時效等處理，由于固溶態(tài)的鎂合金大部分共晶組織和陰極第二相溶解到鎂基體中，減少了微電池的形成，強化了晶界，有助于耐腐蝕性能的提高。而時效態(tài)比固溶態(tài)腐蝕速率略大，是因為與固溶態(tài)相比，時效處理時會將溫度降低，晶粒內的過飽和固溶體分解，原本固溶進鎂基體的陰極第二相會在低溫下沿晶界處及周圍產(chǎn)生細小顆粒狀的析出相，并且在晶界上逐漸堆積，促進了微電池的形成，因此其耐腐蝕性能下降。長時間固溶處理致使晶粒粗化長大，減小了晶界的界面面積，而腐蝕過程也與晶界的多少有關，晶界越多，腐蝕面積越大，其腐蝕速率也就越快。稀土元素的加入細化了晶粒，晶界增多，而鎂合金進行固溶處理使晶界粗化增大后，晶界減少，腐蝕面積也就減少了，增加了耐腐蝕性能。

5 結語

鎂合金具有一系列的優(yōu)良性質，在諸多領域得到了廣泛應用。但是，其薄弱的耐腐蝕性能，是限制其發(fā)展和應用的關鍵性問題。因此，研究提高鎂合金耐腐蝕性能的工藝是鎂合金發(fā)展的重要方面。通過不同的熱處理工藝來提高含稀土元素的鎂合金材料的耐腐蝕性，是當前鎂合金研究領域的重要研究方向。目前，這一領域的研究雖然取得了不少的成果，但仍處在初始階段。

通過熱處理提高含稀土元素的鎂合金的耐腐蝕性能，未來研究可以從以下幾個方面繼續(xù)深入：

（1）研究不同熱處理工藝對含不同種類稀土元素及不同含量鎂合金的耐腐蝕性的影響。稀土元素足有17種之多，不同元素在鎂合金中擁有不同的固溶度，其產(chǎn)生的耐腐蝕性能程度也不盡相同;同時，采用不同的熱處理工藝對鎂合金的耐腐蝕性能也會有不同的效果。因此，未來研究可以在以上方面進行系統(tǒng)考察。

（2）熱處理和表面處理技術共同作用于稀土鎂合金。鎂合金中添加稀土元素后，再進行熱處理，有效提高了耐腐蝕性能。在此基礎上，再對鎂合金進行表面處理，如攪拌摩擦加工等，對鎂合金的耐腐蝕性能將會進一步提升，也有利于擴大其在汽車、航空航天、生物醫(yī)療等領域的應用，未來可以對此進行深入研究。

（3）熱處理和納米技術共同作用于稀土鎂合金。納米技術作為近年來材料科學研究領域的熱點之一，組織納米化能夠一定程度上提高稀土鎂合金的耐腐蝕性。熱處理后的稀土鎂合金能通過納米技術，將組織納米化;或者將組織納米化后的稀土鎂合金，通過一定的熱處理工藝，來顯著提升鎂合金的耐腐蝕性能。這一研究領域也將擁有極大的發(fā)展空間。

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作者簡介：胡嘉瑞（2000年11月11日），男，漢族，湖北省，本科，本科學生，青海大學機械工程學院，青海大學