不同擠壓工藝對Mg-15Gd合金顯微組織和耐腐蝕性能的影響

摘 要：【目的】Mg-Gd系合金在室溫及高溫條件下都表現(xiàn)出了良好的力學(xué)性能，但相對較差的耐蝕性限制了其在航天構(gòu)件、導(dǎo)彈外殼和發(fā)動機引擎蓋等方面的應(yīng)用。因此，研究如何改善其耐腐蝕性具有重要意義?！痉椒ā窟\用不同擠壓工藝對Mg-15Gd進行處理，采用失重、電化學(xué)等試驗研究其耐腐蝕性能。利用OM與SEM對合金組織、腐蝕產(chǎn)物和腐蝕形貌進行觀察，并使用XRD對其進行物相分析?！窘Y(jié)果】經(jīng)固溶處理后，合金晶粒長大，第二相Mg5Gd基本溶入α-Mg基體中，含量減少。對其擠壓后合金晶粒細化，第二相Mg5Gd在晶界上少量析出，呈顆粒狀散落分布于α-Mg基體上?！窘Y(jié)論】固溶和擠壓處理顯著提高了鑄態(tài)Mg-15Gd合金的耐腐蝕性。各合金的耐腐蝕性由強到弱的排序為：擠壓態(tài)gt;固溶態(tài)gt;鑄態(tài)。

關(guān)鍵詞：Mg-15Gd；擠壓工藝；顯微組織；耐腐蝕性能

中圖分類號：TG146.22" " " 文獻標(biāo)志碼：A" "文章編號：1003-5168（2025）01-0078-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.01.015

Effect of Different Extrusion Processes on the Microstructure and

Corrosion Resistance of Mg-15 Gd Alloy

HE Zhiqin

（Yancheng Vocational College of Agricultural Science and Technology， Yancheng" 224001， China）

Abstract： [Purposes] Mg-Gd alloys exhibit good mechanical properties at room temperature and high temperature， but their relatively poor corrosion resistance limits their application in aerospace components， missile shells and engine hoods. Therefore， it is of great significance to study how to improve its corrosion resistance. [Methods] Mg-15Gd was treated with different extrusion processes， and weight loss and electrochemical tests were used to study its corrosion properties. The alloy tissue， corrosion products and corrosion morphology were observed using OM and SEM and the phase analysis was conducted.[Findings] After solid solution treatment， the alloy grains were grown， and the second phase Mg5Gd was basically dissolved into the α -Mg matrix， and the content was decreased. After extrusion， the alloy grains were refined， and the second phase Mg5Gd precipitated a small amount at the grain boundary and scattered on the α -Mg matrix.[Conclusions] Solid solution and extrusion treatment significantly improve the corrosion resistance of cast Mg-15Gd alloy， and the corrosion resistance of each alloy is as follows： extrusion stategt; solid solution stategt; cast state.

Keywords： Mg-15Gd; extrusion process; microstructure; corrosion resistance

收稿日期：2024-10-15

作者簡介：何志琴（1997—），女，碩士，講師，研究方向：化工材料、食品工程。

0 引言

鎂合金作為目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，被譽為“21世紀(jì)綠色工程材料”，是塑料、鋁合金和鋼制零件的絕佳替代品。由于其密度低、比強度高、鑄造性能優(yōu)異等優(yōu)點，在軍工、航空航天等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用需求［1］。近年來，由于Gd元素在鎂合金中的極限固溶度較大，在548 ℃（共晶溫度）時可達23.49%，隨著溫度降低，固溶度迅速減小，在200 ℃時僅為3.82%，固溶強化和析出強化效果明顯［2］。因此，Mg-Gd系高強合金是我國研究的熱點領(lǐng)域。目前，主要通過向Mg-Gd合金中添加其他合金元素、改變合金鑄造工藝和變形工藝等方式來提高合金強度及耐蝕性［3-4］。本研究選用鑄態(tài)Mg-15Gd合金，對其進行固溶處理，并對其進行不同的擠壓處理，研究不同擠壓工藝對合金組織耐腐蝕性能的影響。

1 試驗

通過半連續(xù)鑄造法制備Mg-15Gd合金，利用電感耦合等離子光譜發(fā)生儀（ICP）對合金成分進行檢測，確保合金成分和雜質(zhì)含量符合要求。將試樣在500 ℃保溫24 h后，在80℃以上熱水中冷卻。對固溶處理后的試樣進行分步擠壓，一道次將試樣在400 ℃進行擠壓，沖壓速度為0.5 mm/s，擠壓比為4，隨后用冷水快速淬火；將一道次擠壓后的試樣在350 ℃的爐中保溫0.5 h，隨后在350 ℃進行擠壓，沖壓速度為0.2 mm/s，擠壓比為4，分別用冷水快速淬火和在空氣中緩慢冷卻，得到兩種不同冷卻方式處理的Mg-15Gd雙道次擠壓合金，命名為Mg-15Gd雙道次擠壓后水冷試樣和Mg-15Gd雙道次擠壓后空冷試樣。

將試樣打磨拋光后，首先采用苦味酸溶液腐蝕，使用OM、SEM觀察合金微觀組織，利用再X射線衍射儀分析合金的相組成；其次將試樣在3.5%NaCl水液中浸泡24 h，測其失重腐蝕速率，并觀察24h浸泡腐蝕后合金的表面形貌；最后利用LK98BII型微機動電位分析儀，采用三電極體系，對試樣進行動電位極化曲線測試。

2 試驗分析與結(jié)果

2.1 顯微組織分析

鑄態(tài)、固溶態(tài)和不同擠壓道次及不同冷卻方式Mg-15Gd合金在光學(xué)顯微鏡下的金相顯微組織如圖1所示。由圖1可知，鑄態(tài)Mg-15Gd合金微觀組織晶粒較大，晶界處分布著較多黑色第二相化合物。經(jīng)500 ℃固溶處理24 h后，合金晶粒顯著長大，原先分布于晶界處粗大第二相幾乎完全溶入α-Mg基體中。經(jīng)單道次擠壓之后，合金微觀組織發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，晶粒細化，產(chǎn)生較多細小再結(jié)晶晶粒，形成細小再結(jié)晶晶粒和拉長晶粒組成的混晶組織。在經(jīng)二次擠壓后合金微觀組織動態(tài)再結(jié)晶程度增加，晶粒進一步細化，呈均勻混晶組織。其中，Mg-15Gd雙道次擠壓后水冷合金的晶粒尺寸最小，組織分布最均勻。相較于水冷合金，空冷合金的冷卻速度較慢，再結(jié)晶晶粒發(fā)生了動態(tài)回復(fù)，晶粒長大。

2.2 掃描電鏡試驗

鑄態(tài)、固溶態(tài)和不同擠壓道次及不同冷卻方式Mg-15Gd合金在掃描電鏡下的顯微組織形貌如圖2所示。由圖2可知，鑄態(tài)Mg-15Gd合金晶粒粗大，大量白色第二相呈網(wǎng)狀分布在黑色α-Mg基體上，經(jīng)固溶處理后，晶粒進一步長大，第二相基本溶入α-Mg基體中，擠壓處理使原先固溶到α-Mg基體中的第二相在晶界上少量析出，以顆粒狀散落分布于晶界處。相比于Mg-15Gd單道次擠壓合金，Mg-15Gd雙道次擠壓合金的第二相進一步細化，尺寸減小，分布均勻；相比于空冷合金，水冷合金的冷卻速度較快，合金中第二相析出量較少，尺寸較小。

2.3 XRD分析

鑄態(tài)、固溶態(tài)和不同擠壓道次及不同冷卻方式Mg-15Gd合金的XRD圖譜如圖3所示。由圖3可知，鑄態(tài)Mg-15Gd合金經(jīng)固溶和擠壓處理后，合金中的白色第二相成分未發(fā)生改變，均為Mg5Gd相。鑄態(tài)合金中的Mg5Gd相數(shù)量較多，強度較高；固溶態(tài)合金中的Mg5Gd相數(shù)量較少，強度較低。對固溶態(tài)合金進行擠壓處理后，合金中的Mg5Gd相數(shù)量和強度發(fā)生變化，數(shù)量增多，強度提高。與Mg-15Gd單道次擠壓合金相比，Mg-15Gd雙道次擠壓合金的Mg5Gd相衍射峰相對強度較高，數(shù)量較多；與Mg-15Gd雙道次擠壓后水冷合金相比，Mg-15Gd雙道次擠壓后空冷合金的Mg5Gd相衍射峰相對強度較高，數(shù)量較多。

2.4 失重腐蝕試驗

鑄態(tài)、固溶態(tài)和不同擠壓道次及不同冷卻方式Mg-15Gd合金在室溫3.5%NaCl水溶液中浸泡24 h的腐蝕動力學(xué)曲線如圖4所示。圖4（b）為水冷和空冷合金的腐蝕動力學(xué)曲線局部放大圖。由圖4（b）可知，經(jīng)固溶和擠壓處理后，合金單位面積失重量明顯降低，腐蝕速率明顯減小，耐蝕性明顯提高。隨著浸泡時間的延長，鑄態(tài)和固溶態(tài)Mg-15Gd合金的腐蝕速率不斷上升，分別在8 h和12 h后趨于穩(wěn)定，相比于鑄態(tài)和固溶態(tài)合金，擠壓態(tài)合金的24h單位面積失重量顯著降低，腐蝕動力學(xué)曲線隨時間近乎呈一條水平線緩慢上升。隨著擠壓道次的增加，合金單位面積失重量降低，腐蝕速率減小，耐蝕

性提高。其中，Mg-15Gd雙道次擠壓后水冷合金的腐蝕速率最小，耐蝕性最好。

2.5 電化學(xué)試驗

鑄態(tài)、固溶態(tài)和不同擠壓道次及不同冷卻方式Mg-15Gd合金在室溫3.5%NaCl水溶液中的動電位極化曲線如圖5所示，其擬合結(jié)果見表1。經(jīng)固溶處理后，合金自腐蝕電位升高，自腐蝕電流密度減小，耐蝕性提高。經(jīng)擠壓處理后，合金自腐蝕電位進一步升高，自腐蝕電流密度進一步減小，耐蝕性進一步提高。其中Mg-15Gd雙道次擠壓后水冷合金的自腐蝕電位最高，自腐蝕電流密度最小，耐蝕性最好，該結(jié)果與浸泡試驗和析氫試驗所得結(jié)果相吻合。

2.6 腐蝕形貌觀察

合金在室溫3.5%NaCl水溶液中腐蝕24 h后的表面微觀形貌如圖6所示。由圖6可知，隨著腐蝕反應(yīng)的進行，產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物會在合金表面沉積，形成一層保護膜，阻止腐蝕進一步發(fā)生。鑄態(tài)Mg-15Gd合金腐蝕情況最為嚴(yán)重，表面腐蝕產(chǎn)物脫落痕跡明顯，存在較大腐蝕坑和較多腐蝕裂紋。當(dāng)對合金進行固溶和擠壓處理后，鎂合金表面受腐蝕程度大大降低，腐蝕坑和裂紋均減小，其中Mg-15Gd雙道次擠壓后水冷合金表面腐蝕產(chǎn)物完整致密，僅存在少量微小孔隙，耐蝕性最好。這一現(xiàn)象與浸泡試驗和電化學(xué)試驗所得結(jié)果相一致。

2.7 腐蝕機理

一般情況下，合金晶粒尺寸、第二相特征和腐蝕產(chǎn)物膜的質(zhì)量都會對鎂合金耐蝕性產(chǎn)生顯著影響。合金中的第二相Mg5Gd腐蝕電位比α-Mg基體高，易在兩者形成的原電池中作陰極，少量Mg5Gd相在晶界處連續(xù)均勻分布能夠降低鎂合金腐蝕速率，對合金起保護作用，但大量Mg5Gd相在晶界處析出會加劇鎂合金腐蝕［5］。經(jīng)固溶處理后，鑄態(tài)Mg-15Gd合金中的粗大網(wǎng)狀第二相Mg5Gd基本被溶入α-Mg基體中，第二相含量減少，電偶腐蝕減弱，合金耐蝕性提高。此外，細化晶粒一定程度上也能夠提高鎂合金耐蝕性，經(jīng)擠壓處理后合金晶粒細化，晶界增多，阻礙跨晶界腐蝕的發(fā)生，合金耐蝕性提高，其中Mg-15Gd雙道次擠壓后水冷合金的晶粒尺寸相對小，耐蝕性相對好。腐蝕產(chǎn)物膜的質(zhì)量越好，對鎂合金的保護作用越強，合金受腐蝕程度越輕，耐蝕性越好。鑄態(tài)Mg-15Gd合金的腐蝕產(chǎn)物膜表面疏松多孔，缺陷較多，質(zhì)量較差，耐蝕性不佳，經(jīng)固溶和擠壓處理后，合金腐蝕產(chǎn)物膜孔隙減小，缺陷減少，質(zhì)量變好，耐蝕性提高。

3 結(jié)論

①鑄態(tài)Mg-15Gd合金微觀組織晶粒粗大，大量第二相Mg5Gd呈連續(xù)網(wǎng)狀分布于α-Mg基體上。經(jīng)固溶處理后，合金晶粒長大，第二相Mg5Gd基本溶入α-Mg基體中，含量減少。對固溶態(tài)合金進行擠壓處理后，合金晶粒細化，第二相Mg5Gd在晶界上少量析出，呈顆粒狀散落分布于α-Mg基體上。隨著擠壓道次的增加，合金晶粒和第二相細化，尺寸減小。對雙道次擠壓合金進行冷水淬火后，合金晶粒和第二相進一步細化，尺寸減小。

②固溶和擠壓處理顯著提高了鑄態(tài)Mg-15Gd合金的耐蝕性，各合金的耐蝕性由強到弱的排序為：擠壓態(tài)gt;固溶態(tài)gt;鑄態(tài)。不同擠壓工藝（擠壓道次及冷卻方式）擠壓態(tài)Mg-15Gd合金的腐蝕速率不同，雙道次擠壓合金耐蝕性優(yōu)于單道次擠壓合金，水冷合金耐蝕性優(yōu)于空冷合金，其中Mg-15Gd雙道次擠壓后水冷合金腐蝕速率最低，耐蝕性最好。

③固溶態(tài)Mg-15Gd合金耐蝕性提高，主要歸功于合金第二相含量減少，電偶腐蝕減弱，以及腐蝕產(chǎn)物膜孔隙較小，缺陷較少，保護作用好。擠壓態(tài)Mg-15Gd合金耐蝕性提高，主要歸功于合金晶粒細化，晶界增多，阻礙腐蝕蔓延，以及腐蝕產(chǎn)物膜完整致密，附著性好，保護性好。

參考文獻：

［1］劉政軍，蘇允海，劉鐸，等.鎂合金及其成型技術(shù)綜述［J］.沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006（1）：14-20.

［2］龐松，華溪如，陶靜雅，等.Mg-Gd系鑄造鎂合金時效析出相研究現(xiàn)狀及展望［J］.鑄造工程，2023，47（1）：1-8.

［3］萬佳，劉楚明，許詩源，等.擠壓比對Mg-Gd-Ni合金微觀組織、力學(xué)及腐蝕性能的影響［J］.中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2020，51（9）：2405-2412.

［4］吳國華，陳玉獅，丁文江.鎂合金在航空航天領(lǐng)域研究應(yīng)用現(xiàn)狀與展望［J］.載人航天，2016，22（3）：281-292.

［5］楊光，王琮瑋，王琮瑜，等.稀土Gd對SLM成型醫(yī)用Mg-Zn-Gd合金耐蝕性能的影響［J］.稀有金屬材料與工程，2022，51（6）：2167-2174.