具有高强度和优异耐腐蚀性的镁合金在汽车和航空航天应用的轻质结构部件中一直受到追捧。然而，对于大多数具有高比强度的镁合金来说，它们的耐腐蚀性通常较差，反之亦然。
在这项工作中，上海交通大学的研究团队通过常规铸造、固溶处理和挤压成功开发了 Mg-11Y-1Al (wt. %) 合金。该合金的整体性能具有低于 0.2 mm y^−1 的腐蚀速率、350 MPa 的高屈服强度和 8% 的中等拉伸伸长率，与文献中的其他对比镁合金相比，它们的组合显示出竞争优势。
研究发现，借助 Al2O3/Al(OH)3 的沉积，可以快速形成一层薄而致密的 Y2O3/Y(OH)3 保护膜，从而使该合金免受腐蚀介质的进一步侵蚀。同时，细化晶粒、弱织构和非基面滑移系的活化共同促成了高强度和良好的延展性。该研究结果有望激发下一代高性能镁合金的设计。
该研究以「Towards development of a high-strength stainless Mg alloy with Al-assisted growth of passive film」为题于 2022 年 10 月 3 日发布在《Nature Communications》。
作为最轻的金属结构材料，镁（Mg）合金在工业中具有巨大潜力，轻量化是降低能耗和碳足迹的关键途径，但它们在室温下较差的机械性能和较弱的耐腐蚀性是限制其应用的两大瓶颈。众所周知，镁的低强度和有限的延展性源于其固有的弱结合力和室温下滑移系统不足，而耐腐蚀性差主要归因于其低腐蚀电位和其表面的多孔腐蚀产物。为了解决镁合金的这两个长期存在的问题，在过去的几十年中，从合金设计到制造工艺，已经制定了多种策略。
虽然通过微合金化，特别是添加稀土（RE）元素和/或细化晶粒可以有效地提高镁合金的机械性能，但提高其耐腐蚀性是另一回事。高纯镁（HP-Mg，Mg ≥ 99.99 wt. %）的腐蚀速率为0.3~0.5 mm y^−1，相当不错，但由于屈服强度非常低（<30 兆帕）。当使用合金元素来改善机械性能时，耐腐蚀性通常会受到影响。只有少数报道发现镁合金的腐蚀速率低于HP-Mg。在AZ91系列合金中加入少量Nd或Y/Ca后，可通过降低第二相与镁基体之间的电位差来减缓腐蚀速率。最近的另一项研究表明，在超纯镁中添加微量 Ca 可以通过控制杂质和诱导保护膜来减缓腐蚀速率。虽然上述合金的耐腐蚀性略好于HP-Mg，但它们的机械性能远不能令人满意。
镁合金的使用环境通常需要高标准的机械性能和耐腐蚀性能，以确保良好的结构完整性和耐用性。不幸的是，这两个要求经常相互矛盾。例如，Mg-RE 二元合金的腐蚀速率随着 RE 含量的增加呈指数增加，这归因于在含 RE 的二次相和镁基体之间形成了原电池。尽管一些研究人员提出了同时提高强度和耐腐蚀性并减轻二次相副作用的策略，最近通过致密的超细孪晶实现了有希望的强度-腐蚀协同作用，但问题仍然是整体性能远不能令人满意或制造过程复杂。
值得一提的是，通过添加第三种合金元素并优化微观结构，可以降低 Mg-RE 二元合金的腐蚀速率。研究发现，长周期堆积有序（LPSO）相的引入可以使 Mg-RE 合金的腐蚀行为由点腐蚀转变为均匀腐蚀，并在一定程度上降低腐蚀速率。锌是 Mg-RE 合金中常见的第三种元素，通过常规铸造和随后的热变形来构建 LPSO 相。但是，Mg-RE-Zn 合金的综合性能与使用条件要求之间仍有明显差距。
在这项工作中，研究人员基于以下两个假设提出了一种含有 LPSO 相的 Mg-Y-Al 系统作为下一代高性能 Mg 合金的有希望的候选者。
首先，在 Mg-Y 基合金中添加 Al 可以在熔融镁中形成稳定的 Al2Y 相，提供有效的异相形核位点，促进凝固过程中细小的等轴 α-Mg 晶粒的形成，有利于力学性能。
其次，添加 Al 对腐蚀速率的加速作用不如 Zn 显著，使其溶解后在中性溶液中比Zn更容易沉积在镁表面。
然后，研究人员通过常规铸造和挤压成功制造了模型合金（Mg-11Y-1Al，重量百分比）。综合表征了 Mg-11Y-1Al 合金及其母合金 Mg-11Y 的不同长度尺度的显微组织、力学和腐蚀行为；还分别讨论了其强度、延展性和耐腐蚀性的潜在机制。
图示：W11 和 WA111 合金的耐蚀机理示意图。（来源：论文）
研究人员表示，同时提高镁合金的力学性能和耐腐蚀性是一个长期存在的挑战。目前开发的 WA111 合金为实现这一目标提供了理想的解决方案。WA111 合金优异的耐腐蚀性和屈服强度相结合，使其成为更广泛要求应用的理想选择。此外，还有望将当前的合金设计策略扩展到其他 Mg-RE-Al 合金体系，以开发一系列强度高且耐腐蚀的 Mg 合金。
相关报道：https://www.nature.com/articles/s41467-022-33480-w
