热处理对含稀土元素的镁合金耐腐蚀性能的影响

摘要：镁合金的耐腐蚀性能，不仅能通过添加稀土元素来增强，也可以通过热处理工艺来提高。本文系统介绍了热处理对含稀土元素的镁合金耐腐蚀性能的影响的相关研究，并阐述了其内在机理。在总结分析基础上，提出了未来研究的方向。

关键词：镁合金;耐腐蚀性;热处理;稀土元素

镁合金密度低，比强度和比刚度高，在要求轻量化的工程应用中有广泛需求，如航天电子产品机箱、相机支架、飞机发动机部件以及变速装置等[1-3]。镁合金在汽车、3C工业、军事、生物医疗等领域也得到了广泛关注[4-5]。由于镁合金还具有良好的生物相容性、力学性能和生物降解性，在骨科植入物中也具有广泛的应用潜力[6-7]。

随着镁合金应用的逐步拓展，人们对于镁合金优良性能的需求不断加大，镁合金耐腐蚀性不佳的缺点也逐渐暴露，严重制约了镁合金的广泛应用[8]，迫切需要研发新技术来改善镁合金的耐腐蚀性。多年来，研究者为提高镁合金耐腐蚀性能进行了大量的研究。本文从热处理工艺方面对含有稀土元素的镁合金耐腐蚀性的相关研究进行了系统介绍，旨在梳理该领域的研究进展，并在总结分析基础上，为下一步的研究提供建议，以更好服务于新兴科技和产业对镁合金材料的更高性能需求。

1 添加稀土元素对镁合金耐腐蚀性能的影响

稀土元素主要在镁合金中起到了三种作用[9]：（1）细化变质作用：首先，在熔体合金中添加稀土元素后，会在凝固过程中形成分布于晶界以及枝晶边界上的第二相，这将阻碍原子的扩散，从而抑制晶粒的长大，达到细化合金组织的作用[10-11]。;（2）固溶强化作用：通常稀土元素在鎂基体中均具有比较大的固溶度，主要通过固溶降低原子扩散速率、阻碍位错运动以达到固溶强化的作用;（3）时效沉淀强化作用：稀土元素固溶于镁合金，在一定温度下经长时间的时效处理后，会形成细小弥散的沉淀析出物，沉淀相熔点高、热稳定性好且尺寸小，与镁基体具有良好的界面关系，从而提高耐腐蚀性能。

为了提高镁合金的耐腐蚀性，国内外学者对镁合金中添加稀土元素进行了诸多探索。由于稀土元素的标准电极电位和镁合金相近，且添加适量的稀土元素可细化镁合金晶粒，因此可以提高镁合金的耐蚀性，抑制其发生电化学腐蚀[12];但抗蚀性的效果好坏，还与镁合金中第二相的数量和分布有关[13]。稀土元素的加入，可以细化晶粒，使得晶界增多，抗蚀性的粒子分散更为均匀，减缓腐蚀扩散，且与多种稀土协同作用的时候，效果更佳[14]。在稀土元素可细化镁合金晶粒方面，有研究显示，元素 Y、Nd、Gd 等稀土能通过细化镁合金晶粒，来提高合金的耐腐蚀性[15-16]。

综上，在镁合金中添加稀土元素，会对其耐腐蚀性产生显著的促进作用，而且还可以带来其他的优良性能，如抗拉、抗疲劳和耐磨性等。

2 热处理对镁合金耐腐蚀性能的影响

热处理可以改善镁合金的使用性能和工艺性能，使材料的潜力得到充分释放。通过合适的热处理手段，可以将组织粗大的镁合金转变为组织均匀、晶粒细小的组织，去除加工应力，稳定工件尺寸;改善镁合金中第二相的形态、结构和分布状态，并且获得良好且稳定的综合性能[17]。其中固溶处理（T4）、人工时效（T5）和固溶后人工时效（T6）是镁合金常用的热处理工艺方法。通过固溶处理，将提高不耐腐蚀性的第二相固溶于镁基体中，形成过饱和的固溶体，提升耐腐蚀性，但时效处理往往会将固溶进去的不耐腐蚀的第二相重新析出而导致耐腐性能下降。

目前，已有不少关于热处理提高镁合金耐腐蚀性能的相关研究。如Aung等[18]的研究发现，热处理可以提高AZ91D镁合金在模拟体液中的耐腐蚀性;张帆等[19]研究了固溶处理对镁合金耐腐蚀性能的影响，发现固溶处理可以提高镁合金材料的耐腐蚀性能;刘宝胜等[20]对比了镁合金进行固溶处理和时效处理后的耐蚀性能，发现经时效处理的样品耐蚀性最差，且随着时效处理的时间延长，耐蚀性经一步削弱，而固溶处理的样品耐蚀性最好。

不同的热处理工艺会对镁合金耐腐蚀性产生不同程度的影响，所以对镁合金采取合适的热处理方法来改善其耐腐蚀性非常重要。

3 热处理及添加稀土元素共同作用对镁合金耐腐蚀性能的影响

目前，通过对镁合金添加稀土元素，或者进行热处理工艺，来提高耐腐蚀性能的研究相对较多，而采用热处理及添加稀土元素两者相结合的研究并不多。

3.1 稀土元素对于镁合金在热处理前的重要作用

稀土元素作为一种重要的合金化元素，具有独特的核外电子排布，在冶金、军工、材料等领域中起着不可替代的作用。稀土元素可改变第二相的形态、细化合金组织、净化合金熔体、提高合金耐腐蚀性及力学性能等，而热处理会影响第二相的分布、晶粒尺寸的大小等，以此进一步提高合金的耐腐蚀性。

在热处理前，稀土元素的含量会直接对镁合金的耐腐蚀性能产生较大的影响，如师慧娜等[21]、单玉郎等[22]和Xie 等[23]的研究，分别发现适量的稀土元素Dy、Gd和Y可以减小晶粒尺寸，有效增加镁合金的耐腐蚀性能，而添加的稀土元素在适量的取值范围之外时，镁合金的耐腐蚀性能反而会降低。由于镁合金的基体会与添加的稀土元素结合，生成耐腐蚀的第二相，为热处理影响第二相的分布提供了基础条件。

3.2 热处理对含稀土元素镁合金的重要影响

研究发现，进行过热处理的稀土镁合金，相较于没有进行过热处理的稀土镁合金，前者的耐腐蚀性能要优于后者。由于稀土镁合金中会产生不耐腐蚀的阴极第二相和耐腐蚀性的第二相，因此，热处理工艺会对稀土镁合金的耐腐蚀性能产生重要的影响：固溶处理不仅可以将不耐腐蚀的阴极相固溶于镁基体中，还可以改善耐腐蚀第二相的分布状况，让更多的耐腐蚀相分布于晶界处，并且将组织均匀化，提高耐腐蚀性;而进行了时效处理，则会将固溶于镁基体中的阴极相重新析出，降低耐腐蚀性。

许多学者在热处理工艺方面对稀土镁合金的影响进行了多次的实验和反复的比对。郑丽鸽等[24]研究了Mg-1Zn-0.3Zr-2Gd-0.3Sr 合金在510 ℃ 的条件下固溶 10小时，随后进行 220 ℃不同保温时长的时效处理，发现时效时间为 4小时时，镁合金的平均腐蚀速率最小约为 0.41 mm/a。张帆等[19]的研究表明，530 ℃固溶 8小时后，Mg-Dy-Zn 合金将析出相几乎完全固溶进去，显示出优异的耐腐蚀性能。Jana等[25]发现，对添加了稀土元素的镁合金进行合适的热处理后，可在不损害生物相容性的情况下，使第二相重新分布，从而提高镁合金的耐腐蚀性能。

还有一些研究，考察了固溶处理对于稀土镁合金耐腐蚀性能的影响。如焦迪[26]等以含稀土Gd和Y元素的Mg-Gd-Y 镁合金为试样，通过不同的热处理工艺手段，研究发现，固溶处理使得试样的全部共晶组织和第二相粒子溶解到基体晶粒内，在晶粒中弥散均匀分布，且组织趋于均匀，耐腐蚀性能提高;在时效过程中，过饱和固溶体逐渐分解，并在晶界处产生一些小颗粒状的析出物，导致耐腐蚀性能相比固溶态有所下降。然后，通过极化曲线分析，固溶态的镁合金比时效态的腐蚀电位要高，腐蚀电流要小，而腐蚀电流越小，合金的耐蚀性能越好，更难发生腐蚀。孙毅[13]等对Mg-Zn-Y-Zr-Ca镁合金的研究也得到了相同的结论。

上述研究显示，合适的热处理工艺（特别是固溶处理）可以进一步提高含稀土镁合金的耐腐蚀性能，在提高镁合金耐腐蚀性方面具有极大的作用。

4 热处理增强含稀土元素的镁合金耐腐蚀性能的作用机理

镁材料通常作为阳极，会与杂质或阴极第二相组成电偶腐蚀对，腐蝕速率快。在镁合金添加稀土元素会改善其组织结构、细化晶粒，产生耐腐蚀相等，热处理会对其耐腐蚀性能做进一步强化。同时，热处理会对稀土镁合金的第二相分布、晶粒大小及均匀性等方面产生影响，并以此来增加稀土镁合金的耐腐蚀性能。

为了综合发挥稀土元素和热处理的作用，研究者对添加了稀土元素的镁合金进行热处理。对稀土镁合金进行固溶、时效等处理，由于固溶态的镁合金大部分共晶组织和阴极第二相溶解到镁基体中，减少了微电池的形成，强化了晶界，有助于耐腐蚀性能的提高。而时效态比固溶态腐蚀速率略大，是因为与固溶态相比，时效处理时会将温度降低，晶粒内的过饱和固溶体分解，原本固溶进镁基体的阴极第二相会在低温下沿晶界处及周围产生细小颗粒状的析出相，并且在晶界上逐渐堆积，促进了微电池的形成，因此其耐腐蚀性能下降。长时间固溶处理致使晶粒粗化长大，减小了晶界的界面面积，而腐蚀过程也与晶界的多少有关，晶界越多，腐蚀面积越大，其腐蚀速率也就越快。稀土元素的加入细化了晶粒，晶界增多，而镁合金进行固溶处理使晶界粗化增大后，晶界减少，腐蚀面积也就减少了，增加了耐腐蚀性能。

5 结语

镁合金具有一系列的优良性质，在诸多领域得到了广泛应用。但是，其薄弱的耐腐蚀性能，是限制其发展和应用的关键性问题。因此，研究提高镁合金耐腐蚀性能的工艺是镁合金发展的重要方面。通过不同的热处理工艺来提高含稀土元素的镁合金材料的耐腐蚀性，是当前镁合金研究领域的重要研究方向。目前，这一领域的研究虽然取得了不少的成果，但仍处在初始阶段。

通过热处理提高含稀土元素的镁合金的耐腐蚀性能，未来研究可以从以下几个方面继续深入：

（1）研究不同热处理工艺对含不同种类稀土元素及不同含量镁合金的耐腐蚀性的影响。稀土元素足有17种之多，不同元素在镁合金中拥有不同的固溶度，其产生的耐腐蚀性能程度也不尽相同;同时，采用不同的热处理工艺对镁合金的耐腐蚀性能也会有不同的效果。因此，未来研究可以在以上方面进行系统考察。

（2）热处理和表面处理技术共同作用于稀土镁合金。镁合金中添加稀土元素后，再进行热处理，有效提高了耐腐蚀性能。在此基础上，再对镁合金进行表面处理，如搅拌摩擦加工等，对镁合金的耐腐蚀性能将会进一步提升，也有利于扩大其在汽车、航空航天、生物医疗等领域的应用，未来可以对此进行深入研究。

（3）热处理和纳米技术共同作用于稀土镁合金。纳米技术作为近年来材料科学研究领域的热点之一，组织纳米化能够一定程度上提高稀土镁合金的耐腐蚀性。热处理后的稀土镁合金能通过纳米技术，将组织纳米化;或者将组织纳米化后的稀土镁合金，通过一定的热处理工艺，来显著提升镁合金的耐腐蚀性能。这一研究领域也将拥有极大的发展空间。

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作者简介：胡嘉瑞（2000年11月11日），男，汉族，湖北省，本科，本科学生，青海大学机械工程学院，青海大学