《Journal of Magnesium and Alloys》：The corrosion resistance, discharge performance and mechanical properties of 1200 mm AZ31 Mg wide sheets produced by coupled continuous casting–rolling and warm rolling
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本研究针对传统镁合金宽幅板材制备工艺存在的技术瓶颈，通过创新性地结合连续铸轧直接轧制(CCDR)与分步温轧(SWR)技术，成功制备了不同厚度的超宽AZ31镁合金板材。研究系统揭示了该复合工艺调控微观组织(晶粒尺寸、织构、第二相)的演变规律，并发现随着轧制变形量增加，板材的力学性能、耐腐蚀性能及放电性能均获得显著同步提升。其中最薄的2 mm厚板材(AZ31-2)展现出最优异的综合性能：屈服强度提升59.11%，腐蚀速率降低41%，作为镁空气电池阳极在10 mA/cm2电流密度下阳极效率达61.18%，比能量达1660.50 mWh·g-1。该研究为高性能超宽镁合金板材的低成本工业化生产及其在结构-功能一体化应用提供了新策略。
在全球面临气候变化与生态环境恶化的双重压力下，实现“碳达峰”与“碳中和”已成为国际共识。推动能源结构转型和材料绿色升级，成为各国可持续发展的重要战略。在此背景下，轻量化、高性能材料的开发与应用成为降低能耗与碳排放的关键路径。镁合金因其密度低、比强度高、阻尼性能优异及可回收等优点，被誉为轻量化领域的“理想材料”，在汽车、轨道交通、航空航天及新能源装备等领域展现出巨大的应用潜力。
不仅如此，镁合金在清洁能源存储领域的价值日益凸显。金属空气电池作为一种极具前景的下一代储能技术，因其能量密度高（理论值高达6.8 kWh/kg）、原材料丰富、环境友好等特点，被称为“21世纪绿色能源”。作为金属空气电池的负极材料，镁合金具有标准电极电位低（?2.37 V vs. SHE）、理论电化学当量高（2.2 Ah/g）等优势。然而，其实际应用受到两个核心问题的制约：一是严重的负极自腐蚀（析氢反应和“阻塞效应”导致的材料浪费显著降低阳极效率）；二是放电产物（如Mg(OH)2）在电极表面积累，阻碍电解液接触和电荷转移，导致放电电压迅速衰减。这些问题的根源在于镁合金的微观结构（晶粒尺寸、第二相分布、织构特征等）与其电化学和腐蚀性能之间的匹配不足。因此，通过优化制备工艺来调控微观结构成为突破性能瓶颈的关键。
AZ31合金作为最常用的商用镁合金之一，因其良好的成形性和力学性能在工业领域得到广泛应用。但它也存在明显短板：合金中的Al元素主要固溶于基体，缺乏连续均匀分布的析出相，导致耐腐蚀性较差。此外，传统加工技术下微观组织均匀性不足，也限制了其在高要求场景下的应用。随着大型装备轻量化需求的升级，市场对宽幅镁合金板材（宽度900~1200 mm）的需求日益迫切。此类板材可直接用于大型盖板、电池壳体等一体化结构件的制造，减少因拼接工艺带来的性能损失和成本增加。然而，超宽板材的制备面临多重技术挑战：一方面，镁为密排六方(HCP)结构，室温塑性差，各向异性明显，宽幅轧制易出现边裂、厚度不均等缺陷；另一方面，传统变形工艺局限性明显——冷轧可细化晶粒但轧制力过大致板材脆断，热轧可改善塑性但高温易诱发晶粒粗化导致强度与耐蚀性下降。
针对上述挑战，一项发表在《Journal of Magnesium and Alloys》上的研究提出了一种“铸轧+连续热轧”一体化制备新工艺。该研究以超宽AZ31镁合金板材为对象，首先通过连续铸轧直接轧制(CCDR)制备出厚度为7 mm和6 mm的初始坯料，随后通过多道次连续温轧(SWR)将其减薄至4.5 mm和2 mm，旨在通过精确控制轧制温度、压下量等关键参数，实现超宽板材的稳定成形与微观组织优化。
为开展研究，研究人员主要运用了几项关键技术方法：首先采用连续铸轧直接轧制(CCDR)结合分步温轧(SWR)的复合工艺制备了不同厚度（7 mm, 6 mm, 4.5 mm, 2 mm）的超宽AZ31板材。通过扫描电子显微镜(SEM)及配套的能谱仪(EDS)分析了合金表面状态与元素分布；利用电子背散射衍射(EBSD)技术进行了织构分析；采用X射线衍射(XRD)进行了物相鉴定；在室温下利用万能试验机进行了拉伸力学性能测试；通过电化学工作站（三电极体系）进行了开路电位(OCP)、电化学阻抗谱(EIS)和动电位极化曲线(PDP)等电化学测试；通过浸泡实验评估了耐腐蚀性能；最后，使用NEWARE系统进行了全电池放电测试，以评估其作为镁空气电池阳极的放电特性。所有腐蚀与放电测试均在3.5 wt.% NaCl溶液中进行。样本来源于通过上述CCDR+SWR工艺制备的板材。
3.1. 微观结构
研究通过SEM和EBSD分析了不同厚度板材的微观结构演变。结果表明，随着轧制变形量增加（板材厚度从7 mm减至2 mm），晶粒尺寸显著细化，从131.20 μm细化至7.90 μm，细化率最高达93.98%。第二相（主要为Mg17Al12和Al8Mn5）的面积分数逐渐减少，分布更加均匀。织构分析表明，初始CCDR状态（7 mm, 6 mm板材）织构分布较分散，而随着SWR变形量增加，更多晶粒的C轴平行于板材法向(ND)，基面织构强度显著增强，从21%增至52%。KAM（核平均误取向）分布图及再结晶分布图显示，随着厚度减薄，变形晶粒（红色）比例从57.42%锐减至8.35%，而再结晶晶粒（蓝色）比例从7.27%显著增至74.90%，表明SWR过程伴随强烈的塑性变形以及恢复、再结晶过程，AZ31-2合金几乎完全再结晶，组织分布最均匀。
3.2. 拉伸力学测试
沿轧制方向进行的室温拉伸测试表明，轧制强烈影响合金的强度与塑性。随着变形量增加，强度与塑性呈现同步提高的趋势。与7 mm厚板材(AZ31-7)相比，2 mm厚板材(AZ31-2)的屈服强度(TYS)、极限抗拉强度(UTS)和断后伸长率(EL)分别提高了59.11%、39.75%和83.52%。性能提升主要归因于晶粒细化、位错强化和织构强化的协同作用。数字图像相关(DIC)技术观测的应变场分布显示，AZ31-2合金在整个拉伸过程中应变分布最为均匀，表现出最优的塑性。
3.3. 析氢与电化学测试
在3.5 wt.% NaCl溶液中的浸泡和电化学测试结果表明，板材的耐腐蚀性能随轧制变形量增加而逐步改善。AZ31-2合金的腐蚀速率最低（2.19 mm·y-1），比AZ31-7合金（3.72 mm·y-1）降低了41%。腐蚀耐久性顺序为：AZ31-2 > AZ31-4 > AZ31-6 > AZ31-7。电化学阻抗谱(EIS)拟合数据显示，AZ31-2合金具有最大的腐蚀产物膜电阻(Rf= 921.6 Ω cm2)和电荷转移电阻(Rct= 260 Ω cm2)。耐腐蚀性提升源于晶粒细化抑制腐蚀扩展、基面织构比例增加（(0001)晶面耐蚀性更优）、第二相面积分数减少削弱微观电偶腐蚀，以及更致密保护性腐蚀产物膜（含Al(OH)3和层状双氢氧化物LDH）的形成。
3.4. 放电性能
作为镁空气电池阳极的半电池和全电池测试表明，放电性能同样随板材厚度减小而提升。在10 mA/cm2电流密度下，AZ31-2合金表现出最负的放电电位（-1.69 V），最高的平均放电电压（1.24 V）、阳极效率（61.18%）、放电比容量（1358.23 mAh·g-1）和比能量密度（1660.50 mWh·g-1）。放电产物形貌观察发现，AZ31-2和AZ31-4合金表面的放电产物层疏松多裂纹，易于自发脱落，有利于电解液与基体接触；而AZ31-7和AZ31-6合金的放电产物层则相对致密，不易脱落。AZ31-2合金放电后基体溶解均匀，块状效应减弱，表明其具有更均匀的阳极溶解行为。实时析氢曲线显示，AZ31-2合金的析氢量最低，表明其自腐蚀得到有效抑制。
4. 讨论
研究表明，CCDR与SWR相结合的工艺能有效实现AZ31合金超宽板材的微观组织调控。晶粒显著细化、基面织构增强以及第二相分布均匀化是性能提升的微观机制。力学性能的改善源于晶界强化、位错强化和织构强化的协同作用。耐腐蚀性的提升与晶粒细化促进致密腐蚀产物膜形成、基面织构比例增加以及第二相减少削弱电偶腐蚀密切相关。放电性能的优化则归因于均匀细晶组织促进阳极均匀溶解、抑制局部块状效应、利于放电产物自剥离，以及较低的自腐蚀速率。
综上所述，本研究成功通过CCDR+SWR复合工艺制备出综合性能优异的超宽AZ31镁合金板材。该工艺不仅显著提升了板材的力学性能、耐腐蚀性能及作为镁空气电池阳极的放电性能，而且为高性能超宽镁合金板材的工业化低成本制备提供了一条可行路径。研究成果对于推动镁合金在轻量化结构和新能源电池领域的应用具有重要意义。特别是AZ31-2板材展现出的高阳极效率和能量密度，使其成为一种有竞争力的镁空气电池阳极材料候选，为镁合金在“结构-功能一体化”应用方面拓宽了机会。
