APP下载

Mg-xAl-Zn(x=3,6,9)合金腐蚀行为比较研究*

2022-03-16王军朋邹金超黄志权

功能材料 2022年2期
关键词:腐蚀电流极化曲线耐蚀性

王军朋,邹金超,黄志权

(太原科技大学 机械工程学院,太原 030024)

0 引 言

随着经济的发展,航空航天领域和汽车制造领域对那些密度低的镁合金非常感兴趣。镁合金具有比强度高、密度低、导热性好、电磁屏蔽能力强等优点[1-3]。在镁合金的众多种类中,AZ系列镁合金是最常见的应用最广和最成功的商用镁合金,它们具有优异的铸造性能和机械性能[4]。但是,AZ系列镁合金的应用仍然受到限制,阻碍镁合金进一步发展的原因之一就是本身较差的腐蚀性能,它们在大多数的中性和酸性溶液中极易腐蚀,且腐蚀速率通常很高[5-8]。

国内外学者针对AZ系列镁合金腐蚀性能做出了大量的研究。程英亮[9]等人发现在Al含量高过2%的镁合金中,金属间化合物(β-Mg17Al12)会聚集晶界处。β-Mg17Al12相的形态主要取决于Al的质量分数[10-11]、熔体的凝固速度[12]、和添加的其他合金[13-15]。虽然有很多学者研究过AZ系列镁合金的腐蚀机理[9-11]。但是,在腐蚀过程中铝的作用仍存在争议。有学者[16]认为,当Al含量达到9%左右时,β-Mg17Al12促进了镁合金表面氧化膜的稳定性,提高了该合金的耐蚀性。还有一些研究人员[6,17-18]认为,β-Mg17Al12不会起到保护作用,反而会与镁基体构成微电池,加速该合金的腐蚀。众所周知,合金元素[13,19]、冷却条件[12]和生产工艺对合金的显微组织和腐蚀性能影响极大,进而影响合金的腐蚀性能。虽然以上研究测试了AZ系列镁合金的腐蚀行为,但是,他们的研究并不系统,说服力不强。

本研究目的在于:在冷却方式和生产工艺相同的条件下,研究Al含量对AZ系列镁合金(AZ31/AZ61和AZ91)腐蚀行为的影响。

1 实 验

此实验材料选用铸态的Mg-xAl-Zn(x=3%,6%,9% (质量分数),下同)合金,表1给出了三者的化学成分,由Spectrolab M8发射光谱法测定。试样是尺寸为10 mm的正方体,经过(#200~#2000)砂纸的依次研磨,直至试样表面平整,再进行抛光,使表面光滑,最后在无水乙醇溶液中清洗15 min,冷风吹干待用。

表1 Mg-xAl-Zn(x=3,6,9)合金的化学成分(%(质量分数))

电化学试验在CHI760E电化学工作站上进行,结合三电极体系,镁合金为工作电极,辅助电极为铂电极,饱和KCl甘汞电极为参比电极。进行试验的试样用铝线连接,除去1 cm2的工作面之外,其他面都用环氧树脂密封。在室温下,以3.5%(质量分数)NaCl溶液作为试验的电解液。为了让开路电位(Eocp)数据更加稳定准确,试验前,将试样在3.5%NaCl溶液中浸泡10 min,AZ系列镁合金的腐蚀电流密度和腐蚀电位采用极化曲线方法测定,电位范围为-2.0~-1.0 V,扫描速率为1 mV/s;电化学阻抗谱(EIS)是在Eocp下测量的,扰动电压幅度为5 mV,频率范围为10-1~105Hz,使用ZSimwin软件对EIS进行剖析。极化曲线和EIS的数据点至少代表3个不同测量值得平均值。

采用浸泡试验测量AZ系列镁合金的腐蚀速率,第一步,分析天平对试样进行称重,得到初始质量W0;第二步,将工作面在3.5%NaCl溶液中浸泡70 h后取出,利用超声波清洗机将试样在铬酸溶液中清洗5min,去除试样表面的腐蚀产物,再次称重试样,得到最终质量W1;第三步,用式(1)计算平均腐蚀速率V:

(1)

式中:W0和W1的单位为g;A为试样面积,单位为cm2;t为浸泡时间,单位为h。

由醋酸(10 mL)、苦味酸(10 mL)、蒸馏水(70 mL)和无水乙醇(10 mL)组成的溶液蚀刻,采用JSM-6700F扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对AZ系列镁合金的显微组织结构进行表征。

2 结果和讨论

2.1 极化曲线

图1为Mg-xAl-Zn(x=3,6,9)合金在3.5%NaCl溶液中的极化曲线。对极化曲线进行Tafel型技术拟合,所得结果列于表2。随着Al含量的增加,曲线先向电流密度减少的方向移动,再向增加的方向移动,表明合金的耐腐蚀性先增大后减小。3种合金的极化曲线形状相似,表明它们具有相同的腐蚀机理。阴极区的曲线相差不大,表示合金中Al含量的变化,对阴极析氢反应几乎没有影响。由表2数据可知,AZ31、AZ61和AZ91合金的腐蚀电位约为-1.536 、-1.488 和-1.512 V,腐蚀电流密度约为0.0420、0.0026和0.0289 mA/cm2。随着Al含量的增加,腐蚀电位先正移后负移;腐蚀电流密度先减小后增大。腐蚀电流密度越大,合金的腐蚀速率就越大,合金的耐蚀性就越差[6]。显然,AZ61合金拥有最小的腐蚀电流密度,即最小的腐蚀速率,耐蚀性最好。

图1 Mg-xAl-Zn(x=3,6,9)合金在3.5%NaCl溶液中的极化曲线Fig 1 Polarization curves of Mg-xAl-Zn (x=3, 6, 9) alloys in 3.5% NaCl solution

表2 Mg-xAl-Zn(x=3,6,9)合金极化曲线的拟合结果

2.2 电化学阻抗谱

(2)

AZ31、AZ61和AZ91合金的RP分别为162.57、288.88和204.95 Ω·cm2。Mg-6Al-Zn合金的RP最大,即其在3.5%NaCl溶液中的腐蚀速率最小,耐蚀性最好。

图2 Mg-xAl-Zn(x=3,6,9)合金在3.5%NaCl溶液中的电化学阻抗谱Fig 2 EIS of Mg-xAl-Zn(x=3, 6, 9) alloys in 3.5% NaCl solution

图3 Mg-xAl-Zn(x=3,6,9)合金电化学阻抗谱的等效电路Fig 3 Equivalent circuit of EIS for Mg-xAl-Zn (x = 3, 6, 9) alloys

表3 Mg-xAl-Zn(x=3,6,9)合金在3.5%NaCl溶液中的电化学参数

2.3 微观组织结构

Mg-xAl-Zn(x=3,6,9)合金的铸态显微组织与XRD图谱如图4所示。Mg-xAl-Zn(x=3,6,9)合金组织中的主要相为基体相和晶界处的第二相,基体相为黑色,第二相为白色。在AZ31合金组织中基体相占据了绝大部分的面积,针线状和小颗粒状的第二相分布在晶界处,还有一些分布在基体相里。不连续的短条状和小块状第二相分布在AZ61合金晶界处。AZ91合金组织中的第二相趋于半连续或连续状态,沿其晶界分布,较其他两种合金的第二相粗大。表明随着Al含量的增加,不仅促进了第二相组织数量增多,还使得其形态变得粗大,连续性增强[6]。由图4中3种合金的XRD图谱可知,3种合金组织中的第二相为β-Mg17Al12相。

图4 Mg-xAl-Zn(x=3,6,9)合金的显微组织与XRD图谱Fig 4 Microstructure and XRD patterns of Mg-xAl-Zn (x = 3, 6, 9) alloys

2.4 浸泡试验

宏观表面观察是评价镁合金腐蚀性优劣的另一种方法。图5为Mg-xAl-Zn(x=3,6,9)合金在3.5%NaCl溶液中浸泡不同时间后的宏观腐蚀形貌。Mg-xAl-Zn(x=3,6,9)合金在3.5%NaCl溶液中浸泡70 h的腐蚀数据列于表4中。由图5可知,Mg-xAl-Zn(x=3,6,9)合金随着浸泡时间的增长,腐蚀行为由局部点蚀扩展到了面蚀,最后腐蚀面积扩大到整个合金表面。由图5可以看出, AZ31在浸泡了12 h的时候,腐蚀面积就几乎遍布了合金的整个表面,可想而知,AZ31的腐蚀速率最大。浸泡相同时间后,AZ61的腐蚀面积最小,腐蚀程度最弱,意味着其腐蚀速率最小,这是因为AZ61镁合金中的α-Mg相固溶Al元素含量较多,促使其表面氧化膜更加稳定,从而阻碍镁合金的腐蚀[16]。由于AZ91中β-Mg17Al12相过多,趋于连续分布,且相较为粗大,与镁基体构成微电池,发生较为严重的电偶腐蚀,使得腐蚀速率比AZ61的大。与表4中的腐蚀数据相一致,浸泡70 h后,Mg-xAl-Zn(x=3,6,9)合金的平均腐蚀速率分别为8.58×10-4、2.86×10-4和4.29×10-4g/(h·cm2)。因为AZ61的平均腐蚀速率最小,所以,AZ61耐蚀性最好。此结论与上述的极化曲线和EIS结果一致。

图5 Mg-xAl-Zn(x=3,6,9)合金在3.5%NaCl溶液中浸泡不同时间后的宏观形貌Fig 5 Macromorphology of Mg-xAl-Zn(x=3, 6, 9) alloys after soaking for different time in 3.5% NaCl solution

表4 Mg-xAl-Zn(x=3,6,9)合金在3.5%NaCl溶液中浸泡70 h的腐蚀数据

3 结 论

通过测试比较Mg-xAl-Zn(x=3,6,9)合金在3.5%NaCl溶液中的腐蚀行为,得出以下结论:

(1)随着Al含量的增多,Mg-xAl-Zn(x=3,6,9)合金的腐蚀电位先正向移动后负向移动,AZ61的腐蚀电位为-1.488 V;腐蚀电流密度先减小后增大,AZ61的腐蚀电流密度为0.0026 mA/cm2;极化电阻先增大后减小,AZ61的极化电阻为288.88 Ω·cm2。

(2)在3.5%NaCl溶液中,Mg-xAl-Zn(x=3,6,9)合金的腐蚀行为先是点蚀,再扩展为面蚀。AZ61的平均腐蚀速率最小,为2.86×10-4g/(h·cm)。AZ61表现出最好的耐蚀性,原因在于β-Mg17Al12相的形态和是否连续。

猜你喜欢

腐蚀电流极化曲线耐蚀性
时变腐蚀电流密度下预应力混凝土梁可靠度分析
Ti-15-3合金表面氧化物陶瓷复合涂层的制备与耐蚀性能
Ni、Si和Al对09MnNb钢在海水中耐蚀性的影响
含氮不锈钢在不同温度下的电化学腐蚀行为研究
路谱激励对于燃料电池极化曲线特征参数影响研究
电化学实验教学中极化曲线的测量与应用
Ni-ZrO2纳米复合涂层的制备及其耐磨耐蚀性能研究
不同表面状态对6061铝合金耐蚀性能的影响研究
铝合金结构腐蚀传感器综述
天然气管道输送过程中管道防腐的研究以及防腐方法的创新