Ca添加對擠壓WE43-xCa合金微觀組織、力學(xué)及腐蝕性能的影響

摘 要：

提高鎂合金強(qiáng)度和耐蝕性一直是當(dāng)前工業(yè)應(yīng)用急需解決的問題。本文研究了Ca添加對WE43-xCa（x=0, 0.5, 1）擠壓合金的微觀組織、力學(xué)及腐蝕性能的影響。結(jié)果表明：隨著Ca含量的增加，合金第二相含量增加并產(chǎn)生Mg??RE?相和Mg?Ca相；這些第二相通過顆粒誘導(dǎo)形核（PSN）效應(yīng)減小擠壓合金的晶粒尺寸，從而提高其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，但斷裂伸長率也隨之降低。添加Ca后，三種合金的耐蝕性順序?yàn)閃EX431＞W(wǎng)E43＞W(wǎng)EX430。WEX431合金耐蝕性的提升是由于其晶粒細(xì)小，表面電位分布均勻，且形成致密腐蝕產(chǎn)物膜。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)原料為重慶昱華新材料科技有限公司生產(chǎn)的三種擠壓態(tài)WE43-xCa（x=0, 0.5, 1）合金棒材，分別命名為WE43、WEX430和WEX431，擠壓比為23.5，擠壓溫度為450 ℃。通過電感耦合等離子譜儀（ICP）測得實(shí)際成分。

沿擠壓方向取試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為0.5 mm/min。使用OM、SEM、EBSD、XRD、TEM等手段進(jìn)行微觀組織表征。腐蝕性能通過失重、析氫、電化學(xué)測試（OCP、EIS、Tafel）進(jìn)行評估，并使用XPS分析腐蝕產(chǎn)物膜組成。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 微觀組織表征

三種擠壓合金均具有均勻的等軸晶粒，晶界處分布大量不規(guī)則第二相。隨著Ca含量增加，第二相面積分?jǐn)?shù)由2.74%（WE43）增至3.82%（WEX431），且分布更均勻。XRD和TEM分析表明，添加Ca后生成了Mg??RE?和Mg?Ca新相。

EBSD結(jié)果顯示，晶粒尺寸隨Ca含量增加而減小：WE43為4.85 μm，WEX430為3.79 μm，WEX431為3.07 μm。Ca添加弱化了基面織構(gòu)強(qiáng)度，增加了晶粒取向的隨機(jī)性。

2.2 力學(xué)性能

WE43合金屈服強(qiáng)度為178.1 MPa，抗拉強(qiáng)度為251.9 MPa，斷裂伸長率為26.6%。添加Ca后，WEX430和WEX431的屈服強(qiáng)度分別提升至211.3 MPa和234.4 MPa，抗拉強(qiáng)度分別為262.2 MPa和265.1 MPa，但斷裂伸長率分別下降至13.1%和9.8%。WEX430和WEX431表現(xiàn)出更高的加工硬化率。

2.3 腐蝕性能

2.3.1 浸泡測試

在3.5% NaCl溶液中浸泡72 h后，析氫速率和失重腐蝕速率表明耐蝕性順序?yàn)椋篧EX431＞W(wǎng)E43＞W(wǎng)EX430。WEX431腐蝕速率（8.76 mm/a），WEX430最高（18.24 mm/a）。

2.3.2 電化學(xué)測試

開路電位和動電位極化曲線顯示，WEX431具有最高的腐蝕電位（−1.615 V）和最小的腐蝕電流密度（8.72×10?? A/cm²），耐蝕性較好。EIS結(jié)果也支持該結(jié)論。

2.3.3 腐蝕產(chǎn)物膜分析

SEM和XPS分析表明，WEX431表面腐蝕產(chǎn)物膜更致密，裂紋少，含有Ca(OH)?，對基體保護(hù)性強(qiáng)。WE43和WEX430膜層疏松，保護(hù)性差。

3 分析與討論

3.1 強(qiáng)化機(jī)制

Ca添加通過細(xì)晶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化提高屈服強(qiáng)度。計算表明，第二相強(qiáng)化貢獻(xiàn)最大（占65%以上），但也導(dǎo)致塑性下降。

3.2 耐蝕機(jī)制

WEX431耐蝕性提升歸因于：

- 晶粒細(xì)小；

- 第二相分布均勻；

- 腐蝕產(chǎn)物膜致密，含Ca(OH)?；

- Mg?Ca相作為陽極保護(hù)基體。

WEX430因陰極相多、保護(hù)膜差，耐蝕性。

4 結(jié)論

1) Ca添加促進(jìn)第二相析出，生成Mg?Ca和Mg??RE?相，細(xì)化晶粒并弱化織構(gòu)。

2) 屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提升，但塑性下降，主要因第二相強(qiáng)化作用。

3) WEX431耐蝕性最佳，因細(xì)晶、均勻電位和致密保護(hù)膜；WEX430最差，因陰極相多、膜層疏松。