镁科研:稀土(Y/Nd)改善AZ80镁合金高温抗氧化性

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论文概述

镁合金由于低密度、高比强和高比刚度、以及良好的切削加工性等优异性能,是轻量化材料的重要选择,但因其高化学活性以及形成氧化膜层的疏松多孔特征导致材料抗氧化能力不足和耐蚀性差,是镁合金广泛应用的制约因素之一。提高镁合金抗氧化性的方法包括:1.表面改性:如离子镀、化学镀、真空蒸发镀、电化学镀等,但其工艺成本高且保护膜自修复能力差;2.合金化:稀土或碱土金属元素合金化可提高镁合金的阻燃性和抗氧化性,但其氧化过程规律与作用机理尚待探讨。因此,开展稀土微合金化对镁合金氧化动力学行为影响及其机理的研究,对镁合金高致密、高防护性氧化膜制备技术和新型阻燃镁合金开发具有十分重要的意义。

最近,东北大学材料电磁过程教育部重点实验室(EPM)乐启炽教授等人研究了稀土YNd微合金化对AZ80镁合金高温氧化动力学、氧化膜层特征及氧化激活能等的影响规律。结果表明YNd微合金化可显著提高AZ80镁合金氧化膜致密性,并通过提高氧化激活能和改变氧化膜层开裂方式(由竖向开裂转变为横向或斜向开裂)而显著提高AZ80镁合金的抗氧化能力。

本文研究了AZ80以及添加微量YNd的合金铸造组织以及在不同氧化温度下的氧化动力学行为,并考察了氧化膜的形貌特征。如图1所示,AZ80合金铸态组织主要由α-Mg和粗大链状或岛状的第二相β-Mg17Al12组成。加入0.32 wt.% Y后,组织中β-Mg17Al12减少并细化,并生成Al2Y新相;加入0.38 wt.% Nd后,组织中β-Mg17Al12相减少、细化,并生成Al2Nd新相。如图2和表1所示,合金氧化动力学分析表明,稀土YNd的添加,显著降低了合金的氧化增重及过程中的增重速率。前1小时为氧化初始阶段,合金氧化速率近似抛物线型规律,表明此阶段氧化膜生长速率由阳离子在生长着的氧化膜层的传输控制。

铸态合金FESEM/EDS组织: (a) AZ80; (b) AZ80-0.32Y; (c) AZ80-0.38Nd

合金前1h氧化增重速率常数(kp)及氧化激活能(Q


合金在空气中不同温度下氧化增重曲线:(a) AZ806h(b) AZ80,前1h(c) AZ80-0.32Y6h(d) AZ80-0.32Y,前1h(e) AZ80-0.38Nd6h(f) AZ80-0.38Nd,前1h

此外,研究还对合金氧化层表面宏/微观形貌进行了分析。如图3所示,氧化后AZ80合金表面出现了灰黑色菜花状氧化胞和毛刺;氧化温度升高,菜花状氧化胞增多并逐渐融合,氧化膜层出现散落现象。而氧化后的AZ80-0.32YAZ80-0.38Nd合金表面相对光滑、均匀,氧化层无明显胞状结构和毛刺出现;随着氧化温度的升高,AZ80-0.32Y合金氧化膜出现层状脱落,AZ80-0.38Nd合金氧化膜层状脱落更严重。如图4所示,AZ80合金表面形成的氧化膜粗糙且质地疏松,膜层存在大量微孔洞;而AZ80-0.32Y合金表面形成的氧化膜相对致密;AZ80-0.38Nd合金形成的氧化膜虽然孔洞较少,但致密性不足,氧化膜交替出现疏松和致密结构。因此,稀土Y微合金化后,合金氧化成膜性更好,氧化层光滑致密。

3 AZ80, AZ80-0.32YAZ80-0.38Nd合金空气中不同温度下氧化6h后的表面宏观形貌

实验合金420 °C氧化6h后氧化层SEM照片:(a, b) AZ80, (c, d) AZ80-0.32Y(e, f) AZ80-0.38Nd

如图5所示,AZ80AZ80-0.32YAZ80-0.38Nd合金在413 °C氧化6小时后,其氧化层厚度分别为:29.3μm4.4μm7.6μm420 °C氧化6小时后,其氧化层厚度分别为:41.6μm10.6μm27.5μm。另外,值得注意的是,AZ80合金氧化层中出现竖向裂纹,AZ80-0.32Y合金氧化层中出现横向裂纹,AZ80-0.38Nd氧化层中出现斜向裂纹,因此,三种合金氧化层的开裂方式分别为:竖向开裂、横向开裂和斜向开裂。

实验合金氧化层横截面形貌:(a) AZ80, 413 °C; (b) AZ80-0.32Y, 413 °C; (c) AZ80-0.38Nd, 413 °C; (d) AZ80, 420 °C; (e, g) AZ80-0.32Y, 420 °C; (f) AZ80-0.38Nd, 420 °C

 作者简介

乐启炽(通讯作者),东北大学教授,博士生导师,入选教育部新世纪优秀人才计划和辽宁省百千万人才工程百层次。中国材料学会镁合金专业委员会理事,中国有色金属学会材料科学与工程学术委员会委员,中国铸造学会常务委员,全国铸造标准化技术委员会铸造有色合金技术委员会委员,白云鄂博稀土资源研究与综合利用国家重点实验室客座教授,《铸造》和《兵器材料科学与工程》》杂志编委。授权专利60余项,发表学术论文320余篇,SCI收录200余篇。获省科技发明二等奖1项和市科技二等奖1项。

程春龙(第一作者),男,东北大学材料加工专业博士生,研究方向为镁合金高温氧化动力学及其应用基础研究。

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本文作者2021-2-19 13:53
镁途
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