G d含量对Mg-N d-Y-Zn合金组织和耐腐蚀性能影响

 杨晓禹  王  刚  董永志  修延飞  高  伟  朱礼德

 （山东核电设备制造有限公司）

 摘  要  通过OM(金相观察)、失重法以及电化学等方法研究了G d对高稀土镁合金Mg-N d-Y-Zn铸态组织和耐蚀性能的影响。结果表明，随着稀土元素G d含量增加到3.0%时，在合金晶界上呈不连续网状结构分布的第二相和在a-Mg中均匀分布的弥散颗粒状析出相增加，晶粒尺寸达到最小；盐雾试验测得合金的耐腐蚀速率最小，为0.217 mg.cm-2．h-1，腐蚀电流密度最小，腐蚀电位最高。

 关键词  高稀土镁合金；G d;显微组织；耐腐蚀性能

 中图分类号  TG146.22;TG133.+4DOI:10. 15980/j．tzzz. 2016. 05. 006

 镁合金具有高的比强度、比刚度和良好的减振性，被广泛应用于汽车、电子、航空等领域。随着环保、节能、轻量化等理念的提出，镁合金的开发和应用必将迎来新的机遇。稀土元素有很多独特的性质，在镁合金中加入稀土有可能细化晶粒，改善组织并提高合金的力学性能以及耐腐蚀性能。本课题研究了稀土元素G d对Mg-N d-Y-Zn合金组织和耐腐蚀性能的影响，为稀土合金的应用提供参考。

1  试验材料及方法

 试验原料为镁锭（99. 99%，质量分数，下同），锌块(99.99%),Mg-30Y、Mg-30Nd、Mg-30Zr以及Mg-50Gd中间合金，合金成分见表1。试验合金在自制真空感应熔炼炉中熔炼，通人保护气为N2 +CO2 +SF6。加热到750℃，静置15 min浮渣脱气，然后浇注到预热温度为300℃的金属型中。采用ZEISS-Image光学显微镜观察试样的组织形貌。

  盐雾试验试样尺寸为ɸ35 mm×4 mm。试验前试样经砂纸打磨处理后用丙酮清除表面油污，并称重。试验溶液为3. 5%的Na CI溶液，pH值为6.5～7.2，温度为(35±2)℃。盐雾腐蚀24 h后，在铬酸(200 g/LCrO3+10 g/L AgNO3)溶液中清洗10 min，用丙酮洗涤烘干后并称重。

 电化学测试采用ZF-3恒电位仪、ZF-4电位扫描信号发生器和ZF-10B数据采集存储器组成的测试系统，扫描速度为2 mV／min。3电极体系：镁合金镶嵌试样为工作电极，铂片作为辅助电极，饱和甘汞电极

(SCE)为参比电极。

2  试验结果及分析

2.1  显微组织分析

 图1为不同G d添加量时Mg-N d-Y-Zn合金的铸态显微组织。可以看出合金组织中主要存在着a-Mg基体和各种形态的第二相；同时，随着G d含量的增加，合金中第二相的形态和分布逐渐发生变化。

 由图1可以看出，当未添加G d时，合金的析出相呈不连续状，析出相主要分布在晶界及其周围，而晶粒内部的颗粒状析出相极少，晶粒尺寸相对较大；当G d添加量为1%时，晶界周围的析出相迅速减少，晶粒内部存在少量的颗粒状析出相，晶粒尺寸减小；G d含量增加到3%时，在晶粒晶界上不连续网状结构分布的第二相和在a-Mg中均匀分布的弥散颗粒状析出相增加，细小的等轴晶增多，见图1c;当G d含量增加到5%时，晶界上的第二相进一步增多，呈不连续网状分布，晶粒内部出现大量的颗粒，见图1d。由于G d的含量增加到5%使得含G d的析出物在晶界上进一步偏聚，不均匀化更加明显。同时，G d含量的增加导致Z r元素在基体中颗粒进一步增多，而且晶粒也略有变大。

 这是由于合金中加入稀土元素后，一方面稀土元素优先在合金中形成富含稀土的稀土相，改善组织中粗大的树枝晶以及等轴晶；另一方面，稀土元素在合金中的固溶度相对比较小，可以增大合金结晶前沿的过冷度，从而改变晶粒的尺寸。

2.2盐雾试验结果与分析

 图2为不同G d含量镁合金在盐雾试验中腐蚀24 h的腐蚀速率曲线。当G d含量为3%时，合金的腐蚀速率最小，为0. 217 mg．cm-2．h-1。这是由于随着G d含量的增加，在合金晶界上不连续网状结构分布的第二相和在a-Mg中均匀分布的弥散颗粒状析出相发生变化，

并且晶粒的尺寸也减小，所以耐腐蚀性有所提升；当G d含量超过3%时，由于G d含量的增加使得含G d的析出物在晶界上进一步偏聚，不均匀化提高，同时G d含量的增加导致晶粒尺寸有所增大，所以耐腐蚀性能降低。

2.3  电化学结果及分析

 图3为不同G d含量的镁合金在3.5%的Na Cl溶液中的极化曲线。根据图3可知，不同G d含量的镁合金极化曲线阴极分支都遵循塔菲尔( Ta fel)定律。可以看出，对于阳极反应，合金曲线的Tafel斜率差别并不是很大，说明G d含量的不同并没有对合金阳极反应产生影响。

 对图3的极化曲线进行Tafel拟合，其结果见表2。从表2中可以看出，随着G d含量的增加，腐蚀电流密度(J c o r r)先减小后增加，而腐蚀电位( E c o r r)先增加后减小。对于材料的耐腐蚀性来说，腐蚀电流密度越小，腐蚀电位越高，材料耐腐蚀性越好。当合金中G d含量在3%时，腐蚀电流密度最小，腐蚀电位最高，由此可知，在本试验范围内，G d含量为3%的合金耐腐蚀性最好。但是当G d含量达到5%时，镁合金的腐蚀电位降低，电流密度迅速增大，严重降低了合金的耐腐蚀性能，这个结果与腐蚀速率试验得出的结论一致。

 导致耐腐蚀性改善的可能原因为：①随着G d含量的增加，在合金晶界上不连续网状结构分布的第二相和细小的等轴晶增多。而含Z r镁合金中腐蚀首先发生在晶粒的周边，并逐渐向内部发展。网状分布的第二相的增多阻碍了这种腐蚀的进行，使得合金的耐腐蚀性提高。②G d含量从0上升到3%，平均晶粒尺寸达到最小，而且晶粒大小相对均匀，进一步阻碍腐蚀的进行。

3  结  论

 (1)随着G d含量增加到3%时，在合金晶界上不连续网状结构分布的第二相和在a-Mg中均匀分布的弥散颗粒状析出相增加。

 (2)当G d含量为3%时，耐蚀性最好。中性盐雾试验测得合金的腐蚀速率最小，为0.217 mg。cm-2.h-1，腐蚀电流密度最小，腐蚀电位最高。