Ca添加對擠壓WE43-xCa合金微觀組織、力學及腐蝕性能的影響

摘 要：

提高鎂合金強度和耐蝕性一直是當前工業應用急需解決的問題。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、力學及腐蝕性能的影響。結果表明：隨著Ca含量的增加，合金第二相含量增加并產生Mg??RE?相和Mg?Ca相；這些第二相通過顆粒誘導形核（PSN）效應減小擠壓合金的晶粒尺寸，從而提高其屈服強度和抗拉強度，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為WEX431＞WE43＞WEX430。WEX431合金耐蝕性的提升是由于其晶粒細小，表面電位分布均勻，且形成致密腐蝕產物膜。

1 實驗

實驗原料為重慶昱華新材料科技有限公司生產的三種擠壓態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）測得實際成分。

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

2 實驗結果

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則第二相。隨著Ca含量增加，第二相面積分數由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強度，增加了晶粒取向的隨機性。

2.2 力學性能

WE43合金屈服強度為178.1 MPa，抗拉強度為251.9 MPa，斷裂伸長率為26.6%。添加Ca后，WEX430和WEX431的屈服強度分別提升至211.3 MPa和234.4 MPa，抗拉強度分別為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為：WEX431＞WE43＞WEX430。WEX431腐蝕速率（8.76 mm/a），WEX430最高（18.24 mm/a）。

2.3.2 電化學測試

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結果也支持該結論。

2.3.3 腐蝕產物膜分析

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

3 分析與討論

3.1 強化機制

Ca添加通過細晶強化和第二相強化提高屈服強度。計算表明，第二相強化貢獻最大（占65%以上），但也導致塑性下降。

3.2 耐蝕機制

WEX431耐蝕性提升歸因于：

- 晶粒細小；

- 第二相分布均勻；

- 腐蝕產物膜致密，含Ca(OH)?；

- Mg?Ca相作為陽極保護基體。

WEX430因陰極相多、保護膜差，耐蝕性。

4 結論

1) Ca添加促進第二相析出，生成Mg?Ca和Mg??RE?相，細化晶粒并弱化織構。

2) 屈服強度和抗拉強度提升，但塑性下降，主要因第二相強化作用。

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