《Journal of Alloys and Compounds》：Corrosion Behaviors of GYZ65K Magnesium Alloy After Shear Extrusion: Microstructure Evolution and Localized Corrosion Mechanisms
编辑推荐：
镁合金耐蚀性优化研究：通过热挤压工艺调控微观组织，发现正向挤压合金晶粒最细（0.66μm）且14H-LPSO相连续，显著提升3.5wt.% NaCl中耐蚀性（icorr=577.7μA/cm2），而复合剪切挤压导致局部腐蚀。
作者：左彦昭、向洪福、向阳、高尚天、卢青松、郭宇航、史凤健、杨卫国、彭金华、叶成
单位：江苏科技大学材料科学与工程学院，镇江市，212100，中国
摘要
基于镁的合金因其低密度和良好的机械性能而被视为有前景的结构材料。然而，在特定条件下它们容易发生腐蚀，这成为工程应用的瓶颈，因此提高耐腐蚀性变得十分迫切。为了解决这个问题，本研究引入了一种新设计的GYZ65K合金。研究重点探讨了添加钇对Mg-Gd-Zn-Zr合金在四种挤压工艺下的结构演变和抗腐蚀性能的影响。通过浸渍和电化学方法以及光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜/能量色散谱仪（SEM/EDS）、共聚焦扫描显微镜（CLSM）和X射线光电子能谱（XPS）等结构表征技术进行了分析。结果表明，在均质化过程中，GYZ65K合金的晶粒异常长大，并形成了独特的鱼骨状次生相。尽管次生相的体积分数较高，但挤压处理显著改善了微观结构并优化了相分布。值得注意的是，以105°角度进行剪切挤压的合金具有最细的晶粒结构，平均晶粒尺寸为0.66微米。研究发现，正向挤压的合金中含有大量的14H-LPSO相；而在正向挤压结合剪切挤压的合金中，LPSO相变得高度破碎且不连续，尽管仍可通过XRD检测到。浸渍评估显示，正向挤压的合金具有最高的抗腐蚀性能，质量损失最小；而均质化后的合金质量损失最大。所有正向挤压结合剪切挤压的合金都出现了严重的局部腐蚀现象。电化学测试表明，正向挤压的合金具有最佳的耐腐蚀性，其相关参数分别为Rct=625 Ω·cm2、Rf=60.95 Ω·cm2、Rp=255.23 Ω·cm2和icorr=577.7 μA/cm2。由于富钇共晶相和金属间相的形成，合金的整体重量损失率显著增加，只有正向挤压能够显著提高其耐腐蚀性。
引言
随着科学技术的进步和工业需求的增长，轻质材料在现代制造业中发挥着越来越重要的作用[1],[2],[3]。镁合金作为一种轻质金属材料，因其优异的性能而在许多行业中受到青睐，尤其是在汽车应用领域[4],[5]。高性能镁合金在环保和可持续性方面的应用已成为社会关注的焦点[6]，但其有限的耐腐蚀性仍然是限制其广泛应用的关键因素[7],[8],[9]。虽然镁合金具有一定的耐腐蚀性，但在某些恶劣环境中其表面仍易受腐蚀[10]，仍需要通过涂层处理或合金化等方法进行改进[11],[12]。实验观察到，高纯度镁在浓氯化物电解质中的腐蚀速率接近每年0.3毫米（通过质量损失量化）。然而，在大气条件下，Mg-Al基合金的腐蚀速率明显较慢，几乎是纯镁在富氯化物溶液中腐蚀速率的十分之一[13]。
镁合金在生物医学工程领域也成为了研究的热点，因为它们结合了良好的机械性能和优异的组织相容性[14]。先前的研究表明，引入稀土元素并结合热机械加工（如挤压）或施加保护涂层，可以制备出同时具备可控生物降解性、机械可靠性和优异耐腐蚀性的镁基材料[15],[16],[17],[18],[19],[20],[21],[22],[23],[24],[25],[26],[27],[28],[29],[30],[31]。尽管表面工程仍是常用的防腐方法，但越来越多的研究者开始关注合金设计和变形加工作为替代方案。例如，Lotfpour等人发现，对Mg-2Zn-0.1Cu合金进行热挤压可以细化晶粒并改善金属间网络，从而提高耐腐蚀性能[19]。Robson等人进一步指出，第二相颗粒在热机械处理过程中的动态再结晶过程中具有复杂的影响，这些影响强烈依赖于它们的形态、尺寸和空间分布[20],[21]。Yamasaki等人制备了一种强度高且延展性良好的Mg97Y2Zn1合金，其强化源于强纹理化的热变形α-Mg晶粒和纤维状的LPSO相，而延展性则得益于动态再结晶的α-Mg晶粒（具有弱纹理）[23]。我们团队的先前研究表明，长周期堆垛有序相呈现出18R型排列，这是由于基面（0001）沿c轴方向的重复堆叠[24]。Xi等人对比研究了铸造Mg-Zn-Y和Mg-Zn-Gd合金的腐蚀行为，发现Mg-Zn-Y合金由于含有连续的LPSO相网络和更有效的腐蚀产物层，其腐蚀电流密度显著降低[25]。Shih等人发现，AZ31B合金中形成的Al-Mn第二相会引发严重的电偶腐蚀[26]。Liu等人研究了挤压速率对Mg-Y-Ni合金的影响，发现较低的挤压速率可产生更细的晶粒、更高的位错密度和更高的强度，而较高的挤压速率则会提高延展性但降低屈服强度[27]。Kaviari等人研究了热加工条件的变化对Mg-4Zn-0.5Ca-0.75M合金强度和耐腐蚀性的影响，发现较慢的挤压速率可产生更细的晶粒并避免孪晶结构的形成[28]。Guo等人发现，向Mg-Li-Al合金中添加Sn和Y可以改变相分布和晶体取向，从而影响耐腐蚀性[29]。Baek等人描述了热挤压AZ61合金的微观结构，主要由α-Mg晶粒和Al-Mn金属间相组成；当添加少量Ca（0.1-0.5 wt%）时，加工后的合金基体中出现了(Mg,Al)2Ca颗粒。尽管有这种结构变化，但在室温下0.6M NaCl溶液中的浸渍测试显示，富Ca的AZ61合金的腐蚀速率是未添加Ca合金的两倍[30]。Park等人总结了近年来韩国镁合金研究的进展，指出多方向锻造、线材轧制和脉冲电子束等工艺可以细化微观结构从而提高耐腐蚀性[31]。
本研究参考Shi、Liu、Jiang和Gui等人的研究[32],[33],[34],[35]，设计了GYZ65K镁合金，并采用了四种热挤压工艺（正向挤压、90°、105°和120°剪切挤压）。正向挤压使合金形成了更细的晶粒结构，并由于动态再结晶产生了大量的14H-LPSO相；正向挤压结合剪切挤压后，内部结构更加均匀，从而提高了机械性能。本研究旨在评估不同挤压工艺对合金在3.5 wt.% NaCl溶液中腐蚀行为的影响，通过详细分析揭示材料劣化的机制，并基于这些发现提出进一步改进类似成分镁合金防护性能的方法。
本研究中采用的较高Y含量并非随意选择，而是为了接近LPSO相稳定性的上限组成阈值。这种设计策略有助于清晰评估在不同剪切主导的挤压条件下LPSO相连续性和富钇共晶/金属间相的竞争作用。在此背景下，GYZ65K合金作为模型系统，用于阐明合金设计和复杂变形路径对腐蚀行为的耦合效应。
材料与方法
GYZ65K合金的合成采用电阻炉在CO?/SF?保护气体氛围下进行。合金配方包含6%的Gd（Mg30Gd）、1%的Zn、0.5%的Zr（Mg30Zr）和5%的Y（Mg30Y）（按重量计）。在放入坩埚之前，原料表面用800目细砂纸进行机械抛光以去除氧化膜。随后将材料放入坩埚，加热至750°C并保持该温度。
金相分析
图2显示了GYZ65K合金的原始微观结构。铸造态合金主要由α-Mg和颗粒状第二相组成，第二相分布密集（图2(a)）。均质化后，晶粒异常长大，As-Hom合金的金相结构主要由粗晶粒和鱼骨状第二相组成（图2(b)），这种异常的晶粒生长在高Gd含量的镁合金中也有观察到。
结论
本研究重点研究了高Y含量对挤压Mg-Gd-Zn-Zr合金微观结构和耐腐蚀性能的影响。主要发现包括：
- 正向挤压是唯一显著增强合金耐腐蚀性的工艺，而其他三种正向挤压结合剪切挤压的方法效果不明显；
- 在正向挤压状态下，GYZ65K合金保留了大量14H-LPSO相结构；
未引用的参考文献
[74]; [75]
作者贡献声明
叶成：方法论、数据管理。
左彦昭：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论、实验设计、数据分析。
向洪福：写作 – 审稿与编辑、验证、项目监督。
郭宇航：验证、项目监督、概念构思。
史凤健：验证、项目监督、资源调配、方法论。
杨卫国：验证、项目监督、数据管理。
彭金华：验证、项目监督、资金管理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
