镁合金腐蚀与防护综合实验教学设计

许婷熠， 佘 加， 赵燕飞， 王金星， 汤爱涛， 吴 刚

（重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400044）

0 引 言

随着“双碳”战略目标的提出，低碳建筑、低碳交通、低碳能源的开发和应用得到了更多关注。镁合金被誉为“21 世纪绿色工程材料”，在航空航天、国防军工、电子、汽车、生物医用等领域有广泛应用［1-2］。但镁合金电极电位低、易腐蚀［3-5］，成为镁合金应用上的瓶颈。因此，开展镁合金的腐蚀与防护研究已成为近年来的研究热点。

金属腐蚀与防护课程作为材料科学与工程专业学生的专业必修课，主要涉及腐蚀概念与特征、腐蚀机理、影响因素以及防护方法等。金属腐蚀与防护实验是材料腐蚀与防护课程的重要组成部分，旨在帮助学生全面掌握课程内容，提高动手能力。本文为了深化教育教学改革，推进“新工科”建设［6-7］，将金属腐蚀与防护实验结合学科特色，融入镁合金相关研究课题，不仅能让学生了解专业前景、扎实专业知识、具备分析处理工程问题的能力，还能培养学生的创新思维、提高综合素质［8-10］。

1 综合实验内容设计

本综合实验涉及镁合金腐蚀与防护相关内容，设计主要分为镁合金防护模块和腐蚀性能评定模块。实验内容从问题出发，为了提高镁合金材料的使用寿命，引导学生查阅相关文献资料，设计实验方案提高镁合金材料的腐蚀性能，并通过一系列腐蚀性能测定方法，评定实验方案是否可行。实验流程见图1。

图1 镁合金腐蚀与防护综合实验流程图

1.1 镁合金防护模块

为了提高镁合金腐蚀性能，主要从添加合金元素、镁合金表面处理两方面着手［11-13］设计实验。研究的镁合金材料可以从教师的科研课题中选取，如航空航天材料Mg-Zn-Zr-RE系、Mg-Y-RE系，汽车零部件材料Mg-Al-Zn 系、Mg-Al-Mn 系，生物医用材料Mg-Zn系等。

（1）添加合金元素。实验中可提供一个合金元素库供学生选择，其中包括Ca、Sr、Nd、Ce、Y、La、Mn 等，学生通过查阅资料，设计具体添加合金元素与含量，可单一添加，也可复合添加。实验开展时从教师科研课题中选取一种镁合金材料作为研究对象，每班学生分3 大组，组内3 或4 人为一小组，通过查阅资料每大组选定一种合金元素作为添加元素，每小组可设计该合金元素的不同添加量，通过文献阅读与线上视频学习，初步掌握镁合金的熔炼方法与熔炼合金成分配比方式，实验前计算熔炼所需合金质量（考虑合金烧损率），称量并打磨原材料。为研究添加合金元素后能否提高材料腐蚀性能，设定一学生小组在相同条件下熔炼未添加合金元素的镁合金材料，用作对比分析。

镁合金熔炼具有一定危险性，熔炼过程须在教师指导下完成，考虑实验的安全性与时效性，选用真空感应炉进行镁合金的熔炼，具体步骤是：将准备好的原材料加入干锅，放入真空感应炉，炉内充入CO2和SF6（0.5% ～1.5%（体积分数））的混合气体作为保护气体，加热至740 ℃，保温15 min后，出炉水冷。用XRF荧光测试分析仪测量熔炼合金成分是否满足要求。通过线切割机将试样切割成10 mm ×10 mm ×5 mm 的长方体，待后续实验使用。

（2）表面处理。镁合金常用的表面处理有化学镀、电镀、阳极氧化、微弧氧化、化学转化处理等［11，13］。化学转化处理工艺设备简单、易操作，本综合实验选用此工艺对镁合金进行表面处理。

镁合金化学转化处理根据化学转化时所用化学试剂不同，可分为铬酸盐转化、磷酸盐转化、锡酸盐转化、钼酸盐转化处理等［1，14］。镁合金化学转化处理包括如下步骤：①打磨，用砂纸去除试样表面机加工及氧化物等痕迹，使其表面光亮平整。②碱洗，去除试样表面残留的油污等。③酸洗，去除试样表面的氧化皮、杂质、污物等。④活化，去除酸洗过程的残留液，在试样表面形成一层薄膜，促进转化膜的形成。⑤转化膜处理，在试样表面形成由氧化物金属盐组成的表面膜。⑥烘干，封装。

将选定好的镁合金材料加工成10 mm ×10 mm ×5 mm的长方体，学生自行选择化学转化处理类型，根据实验指导书或资料文献中的具体操作进行实验。鼓励学生自行设计化学转化液配方，尝试不同化学转化处理工艺，探索最佳实验工艺。

1.2 腐蚀性能评定模块

腐蚀速率是镁合金耐蚀性能常用的评定指标，本模块主要通过浸泡实验、电化学实验来评定实验材料的腐蚀性能。学生需掌握镁合金腐蚀原理、仪器设备的使用方法、数据处理方法，比较镁合金防护模块下不同方案的镁合金腐蚀性能。

（1）浸泡实验。①析氢测量法。镁合金相较于其他金属材料，在腐蚀过程中总是伴随着氢气的析出，纯镁腐蚀的总反应式为

可见溶解一个镁原子就会伴随一个氢分子气体的产生。对镁合金而言，1 mL 氢气的析出相当于1 mg 的镁合金被溶解（误差远小于10%）［3］。因此，通过测量腐蚀过程中析出氢气的体积就能推算出镁合金的腐蚀速度，由经验公式［15-16］计算出镁合金的自腐蚀速率：

式中：PH为试样腐蚀速率（mm／a）；ΔV为析氢体积（mL）；s为试样的暴露面积（cm2）；t为试样的腐蚀时间（d）。

析氢测量法的主要步骤：

（a）试样准备。将试样冷镶嵌，露出10 mm ×10 mm的工作面积；再用砂纸将试样表面打磨光亮，去除表面划痕与氧化膜（经表面处理的试样无需磨制）。

（b）析氢实验。析氢装置如图2 所示，装置分别为烧杯、倒扣的漏斗与滴定管，将镶嵌好的试样放置于图2 装置中，装置内充满3.5%（质量分数）的NaCl水溶液。实验开始记录滴定管上液面刻度，每隔1 h 记录一次滴定管刻度值，直至有一组试样的滴定管内液面降至最低刻度线。

图2 镁合金腐蚀过程氢气收集示意图

（c）数据处理。计算不同时间下镁合金的腐蚀速率，绘制不同状态的镁合金析氢速率随时间的变化曲线。

②浸泡失重法。失重法是通过质量损失的多少来表征腐蚀速率的一种方法。将试样放入腐蚀环境一段时间后，取出并清除全部腐蚀产物，测量其质量变化。由经验公式［15-16］可计算镁合金的自腐蚀速率：

式中：Pw为试样腐蚀速率（mm／a）；m0为腐蚀前试样的质量（mg）；m1为腐蚀后试样的质量（mg）。

浸泡失重法的主要步骤：

（a）试样准备。每组同一试样准备5 个，每个试样面用砂纸打磨至光亮无划痕（经表面处理的试样无需磨制），用分析天平称量试样质量，并用游标卡尺测量试样每个面尺寸。

（b）浸泡实验。将试样用细线悬挂于盛有100 mL 3.5%（质量分数）的NaCl水溶液的烧杯中，每隔1 d取出一组试样，放入200 g／L CrO3与10 g／L AgNO3的混合溶液中浸泡5 ～10 min 去除腐蚀产物，再用蒸馏水冲洗，干燥后称量腐蚀后试样的质量。

（c）数据处理。观察不同时间、不同防护状态下镁合金的宏观腐蚀形貌，并计算不同时间下镁合金的腐蚀速度，绘制不同状态的镁合金失重速率随时间的变化曲线。

浸泡实验的时间较长，各小组自行规划好实验记录时间。实验后分析讨论析氢测量法与浸泡失重法的结果异同，并比较不同实验方案下镁合金的腐蚀性能。

（2）电化学实验。电化学方法是研究与测量腐蚀的重要手段，本实验通过动电位极化曲线的测定，推算出镁合金的腐蚀速度。为保证实验结果的准确性，每组试样设计3 组平行试验，具体实验内容如下：

①镁合金电极的制作。将试样与铜导线连接，用冷镶嵌剂封样，留出10 mm×10 mm的工作面积，并依次用180＃，400＃，800＃，1 200＃砂纸打磨光亮（经表面处理的试样无需磨制），清洗干燥后待用。

②开路电位的测定。将镁合金电极浸泡于3.5%（质量分数）的NaCl 水溶液15 min 后，采用三电极体系与电化学工作站连接，进行开路电位测定，得到电位-时间曲线，一般测试时间10 min，当电位变化在1 mV／s时即认定自腐蚀电位已稳定，此时即为待测电极的自腐蚀电位。

③动电位极化曲线的测量。电化学工作站选择Tafel曲线（动电位极化曲线）测试，根据开路电位设定试验参数，扫描速度为1 mV／s，时间15 min，得到Tafel曲线。由Tafel外推法得到待测合金的腐蚀电流，用腐蚀电流除以试样的工作面积即为待测试样的腐蚀速度。

2 综合实验教学设计

本综合实验可作为金属腐蚀与防护课程的配套实验课程，也可应用于本科教学的专题实验中，共16 学时，具体实验教学进度安排见表1。

表1 镁合金腐蚀与防护综合实验教学进度

课程安排在小学期1 周内进行，采用线上线下相结合的模式：实验课程概述安排在小学期开始；随后1周时间内学生分组自行规划实验时间，线上学习并查阅资料、设计实验方案、实施实验，教师负责审核实验方案、把控实验质量、监督实验操作规范及实验安全意识等；在1 周最后1 d进行实验总结与讨论，总结实验中的问题与难点，讨论实验结果，若与理论分析存在较大误差，引导学生积极思考、敢于质疑。

在实验教学过程中，应充分发挥教师与学生的“双主体”作用［17］，通过教师将科研内容与实验教学结合，根据学科前沿与发展动态更新实验内容，引导学生学会科学研究的思维与方法、增强学生的科研兴趣、巩固学生对专业知识的掌握；学生通过自主设计实验内容、制定实验方案、分组协作实施实验、与教师交流实验难点、分析讨论实验结果，锻炼了实践动手能力、激发了科研创新热情，为将来毕业设计打下良好基础。对于科研兴趣浓厚的学生，可将该实验项目拓展为大学生科研训练计划或毕业设计课题，鼓励他们对材料微观组织、力学性能等进一步研究，探寻腐蚀机理。

3 综合实验特色与成效

3.1 实验特色

（1）实施科教融合的教学方法，将科研内容与成果转化为实验教学资源，以镁合金的实际应用为出发点，激发学生的科研兴趣，提升学生对专业前景的认可。

（2）摒除传统实验的单一性与验证性，引入探索性实验教学，实验内容具有连续性，实验中有多变量及影响因素，学生需实践探索找出最佳变量。

（3）实验内容为设计性、创新性、研究型综合实验，围绕专业问题，提升实验任务的高阶性和挑战性，加深学生对专业知识的掌握。

3.2 实验成效

实验内容包含金属腐蚀与防护、材料科学基础、材料近现代分析测试方法等课程内容，加强了学生对专业知识、各项分析测试技术的掌握；通过开展全过程实验，开拓了学生解决实际工程问题的能力；分组开展实验，提高了学生的组织能力与团队合作能力；将科研方法引入实验教学，培养了学生的创新思维与科研素养。

4 结 语

本综合实验从解决实际工程应用问题入手，为解决镁合金腐蚀速度过快的瓶颈，设计了镁合金腐蚀与防护综合实验。本实验从镁合金成分设计、表面处理工艺两方面开展，通过不同腐蚀速度评定方法表征镁合金的腐蚀速度，从而探究实验方案的可行性。教学模式上以学生为主体，教师引导学生设计并探索实验，将科学研究的方法引入实验教学，利用学校现有科研资源，优化实验内容，以更好地扩充学生的专业知识，增强学生的创新创业意识，为培养应用型、创新型人才奠定基础。