不同溫度固溶處理對ZK40A鎂合金耐腐蝕性能的影響

摘 要：【目的】鎂合金耐腐蝕性差導致其在實際應用中受到限制。熱處理能夠改善鎂合金的耐腐蝕性能，但目前對ZK40A鎂合金熱處理耐腐蝕性能研究較少，有待進一步加強。【方法】通過對ZK40A鎂合金進行不同溫度的固溶處理，分別采用析氫、失重、電化學試驗等對不同溫度固溶處理后的鎂合金腐蝕性能進行研究。利用OM與SEM對合金組織、腐蝕產物和腐蝕形貌進行觀察，并使用XRD對其進行物相分析。【結果】ZK40A在固溶處理后改善了鑄態合金組織的不均勻性，在400～450 ℃的固溶范圍內出現了再結晶和孿晶組織。隨著固溶溫度的升高，第二相含量先升高再逐漸減少且沿著晶界少量分布，在450 ℃固溶后，合金組織均勻，耐蝕性最好。【結論】固溶處理能夠有效改善鑄態ZK40A的耐蝕性能，熱處理溫度控制在400～450 ℃較為適宜。

關鍵詞：ZK40A；固溶溫度；顯微組織；耐腐蝕性能

中圖分類號：TG146.22" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2024）24-0079-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.24.015

Effect of Solution Treatment at Different Temperatures on Corrosion Properties of ZK40A Magnesium Alloy

Abstract： [Purposes] The poor corrosion resistance of magnesium alloy limits its practical application. Heat treatment can improve the corrosion resistance of magnesium alloy， but there are few studies on the corrosion resistance of ZK40 A magnesium alloy after heat treatment， which needs to be further strengthened.[Methods] The corrosion properties of ZK40A magnesium alloy after solution treatment at different temperatures were studied by hydrogen evolution， weight loss and electrochemical tests. The microstructure， corrosion products and corrosion morphology of the alloy were observed by OM and SEM， and the phase analysis was carried out by XRD.[Findings] After solution treatment， the inhomogeneity of the as-cast ZK40 A alloy was improved， and the recrystallization and twin structure appeared in the solid solution range of 400-450 °C. With the increase of solution temperature， the content of the second phase increases first and then decreases gradually and distributes along the grain boundary. After solution treatment at 450 °C， the microstructure of the alloy is uniform and the corrosion resistance is the best." [Conclusions] The solid solution treatment can effectively improve the corrosion resistance of as-cast ZK40 A， and the heat treatment temperature should be controlled at 400 ～ 450 ℃.

Keywords： ZK40A;solution temperature; microstructure; corrosion resistance

0 引言

鎂合金具有質量輕、高比強度、高剛度和低密度等優良性能，在航空航天、飛機、汽車、通信等行業中廣泛應用［1］。相較于其他的傳統材料，鎂合金耐腐蝕性能較差，影響其使用壽命，阻礙了鎂合金在更多領域中的應用。鄧彬等［2］研究了在熱處理下第二相對Mg-Zn-Zr合金的耐腐蝕性能影響，其第二相呈分散分布的耐腐蝕性能要好于呈條帶狀連續分布的。王強等［3］研究了熱處理狀態下的ZK61合金的力學性能，在經過400 ℃×20 h+170 ℃×10 h后，力學性能較之鑄態有顯著提升。龐潔等［4］研究了在不同熱處理下Mg-11Gd-2Y-0.5Zr的組織性能，固溶、時效處理均可以提高合金的耐蝕性，固溶態的性能最好，時效態次之。楊振華等［5］研究了Mg-5Zn-0.5Ca-0.36Sr在不同溫度固溶處理下的合金性能，在經過固溶處理后的合金第二相逐漸減少，晶界粗化且連續，力學性能和耐腐蝕性能均有所提高。目前，對于ZK40A熱處理耐腐蝕性能研究較少，本研究運用鑄態ZK40A鎂合金對其進行固溶處理，研究不同固溶處理溫度對其耐腐蝕性能的影響。

1 試驗

試驗材料為鑄態ZK40A鎂合金，其化學成分見表1。

將ZK40A鎂合金在高精度電阻爐中用石墨粉覆蓋進行固溶處理，固溶溫度分別為350、400、 450、500和550 ℃，保溫時間12 h。固溶處理的ZK40A鎂合金在600#-2000#水磨砂紙打磨拋光后，采用苦味酸溶液腐蝕，使用LEICA DM 2500M型光學顯微鏡、thermo scientific Apero2C型掃描電子顯微觀察合金微觀組織，并用OXFORD ULTIM MAX65能譜儀對合金不同區域進行成分分析，利用Rigaku Ultima Ⅳ型X射線衍射儀分析合金的相組成。

首先將不同溫度固溶處理的ZK40A鎂合金切成10 mm×10 mm×3 mm的片狀試樣，在3.5% NaCl水液中浸泡24 h，測其失重腐蝕速率，并觀察24 h浸泡腐蝕后合金的表面形貌。其次將不同溫度固溶處理的ZK40A鎂合金試樣用環氧樹脂封裝，裸露面積為1 cm2，放置在盛有3.5% NaCl水溶液的析氫裝置中，測定樣品12 h析氫氫氣速率。最后利用LK98BII型微機動電位分析儀，采用三電極體系，對不同溫度固溶處理的ZK40A鎂合金進行動電位極化曲線測試。

2 結果與分析

2.1 合金顯微組織分析

鑄態及不同溫度固溶處理的ZK40A合金的金相顯微組織如圖1所示。由圖1可以看出，鑄態ZK40A合金的顯微組織晶粒大小不均，固溶處理的ZK40A合金的顯微組織晶粒大小相對均勻，隨著固溶溫度的增加，晶粒之間有變大的趨勢，固溶溫度達到350 ℃后，經過退火處理后產生一些孿晶。隨著溫度的升高，鎂合金開始出現再結晶，在固溶溫度加熱到400 ℃時，在晶界處產生再結晶，當溫度升高加熱到450 ℃時，再結晶晶粒數量減少，晶粒形狀均勻，孿晶數量也逐漸增加。當溫度達到500 ℃時，晶粒尺寸逐漸變大且孿晶數量開始減少。當溫度達到550 ℃時，晶粒尺寸驟增，第二相基本溶入鎂基體中。

鑄態及不同溫度固溶處理的ZK40A的掃描電鏡圖如圖2所示。由圖2可以看出，鑄態ZK40A第二相呈不規則分布，主要分布在晶粒內部和晶界上，其組織呈條狀塊和顆粒狀生長。隨著固溶溫度的升高，晶粒內的第二相逐漸減少，在450 ℃時，棒條狀的第二相消失，只有顆粒狀的第二相沿著晶界處連續分布。在達到550 ℃時，晶粒顯著變大，呈不連續網狀結構，晶粒內部出現細小顆粒狀的第二相。

鑄態及不同溫度固溶處理的ZK40A XRD測試結果如圖3所示。由圖3可以看出，鑄態合金及各種固溶態合金的衍射峰基本一致，鑄態合金由α-Mg基體和MgZn2相、Mg0.97Zn0.03相組成。在固溶處理過程中，合金元素會進一步溶解，Zr具有晶粒細化的作用，會使材料的晶粒尺寸減小，所以合金的內部會存在很多細小的晶粒，這會有利于第二相的沉積，隨著溫度升高，MgZn2相和Mg0.97Zn0.03相衍射峰強度逐漸升高再降低，在400 ℃時第二相的衍射峰強度達到峰值，然后逐漸降低，并在550 ℃時，可第二相基本溶入Mg基體中。

2.2 腐蝕試驗分析

鑄態及不同溫度固溶處理的ZK40A失重腐蝕速率圖如圖4所示。由圖4可知，鑄態合金的腐蝕速率明顯要高于固溶態合金。由于鑄態合金在晶界處有較多的粗大共晶相和雜質，在腐蝕過程中與基體極易形成原電池，進而加速合金的腐蝕。而固溶后的材料更加均勻晶界上并無大量雜質且隨著固溶溫度的升高產生再結晶，組織更加細化，并析出大量孿晶，這使得固溶后的耐腐蝕性能大大提高［6-8］。而第二相的分布與數量也會影響合金的耐腐蝕性能，第二相是連續分布或者含量較多會使耐腐蝕性能降低，而第二相分布為分散狀態的耐腐蝕性能要好于條帶狀連續分布的［2］，當溫度在450 ℃時，條狀第二相消失且第二相為顆粒狀沿著晶界處連續分布，其耐腐蝕性能最好， 其次是400、500，350、550 ℃和鑄態件。

鑄態及不同溫度固溶處理的ZK40A析氫速率如圖5所示。由圖5可知，鑄態和固溶態試件的腐蝕速率變化基本一致，皆呈現出先迅速上升隨后逐漸緩慢下降的態勢。其中以450 ℃固溶處理的性能最好，400 ℃、500 ℃的耐蝕性次之，與失重試驗結果相吻合。

合金在3.5%NaCl 溶液中所測得的動態極化曲線如圖6所示。其中，陽極分支代表著Mg2?的生成過程，陰極分支則代表析氫過程。Ecorr表示腐蝕電位，Icorr表示腐蝕電流密度，一般而言，腐蝕電位越正，合金的耐腐蝕性就越強，ZK40A極化曲線的擬合結果見表2。由表2可知，隨著固溶溫度的升高，腐蝕電壓呈現出先變大后變小的趨勢，自腐蝕電流則是先變小后變大［9］。經過450 ℃固溶處理后的合金腐蝕電位最高、腐蝕電流密度最小，耐腐蝕性能最佳，其腐蝕電位為-1.516 V，腐蝕電流密度為6.412 mA/cm-2 。這與浸泡和析氫試驗相吻合。

鑄態及不同溫度固溶處理的ZK40A在3.5%NaCl溶液浸泡24 h的腐蝕形貌如圖7所示。由圖7可看出，合金的表面基本呈現出嚴重的晶界腐蝕，出現沿著晶界分布的網格狀裂紋。鑄態件的腐蝕裂紋相較于固溶件更寬更深，腐蝕程度最為嚴重。經固溶處理后腐蝕程度明顯減輕。由圖7（d）可看出，固溶450 ℃的ZK40A表面相對平整，沿晶界分布的網格狀裂紋淺而均勻，總體呈輕微的均勻腐蝕，腐蝕程度最小，因此合金的耐蝕性能最好［10］。綜上所述，與失重、析氫的腐蝕速率及電化學的極化曲線結果一致。

3 結論

①ZK40A在固溶處理后改善了鑄態合金組織的不均勻性，在400～450℃的固溶范圍內出現了再結晶和孿晶組織，隨著固溶溫度的升高其耐蝕性能先提高再下降。

②固溶處理后的ZK40A，第二相含量隨著溫度的升高而逐漸減少，且沿著晶界少量分布，在450 ℃固溶后，合金組織均勻，耐蝕性相對較好。其腐蝕后腐蝕程度最輕，腐蝕程度均勻。

③不同固溶溫度的ZK40A合金的耐蝕性能排序：450 ℃＜400 ℃＜500 ℃＜350 ℃＜550 ℃＜鑄態。固溶處理有效改善了鑄態ZK40A的耐蝕性能，熱處理溫度控制在400～450 ℃較為適宜。

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