Chen W, Gong C, Jiang P, et al. Enhancing corrosion resistance of Mg-Alloys by regulating precipitates at grain boundaries using rare earth oxides[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2025.
Chen, Wei, et al. "Enhancing corrosion resistance of Mg-Alloys by regulating precipitates at grain boundaries using rare earth oxides." Journal of Materials Science & Technology (2025).
Chen, W., Gong, C., Jiang, P., Gan, L., Ren, Y., Li, C., Chen, J., & Qiu, W. (2025). Enhancing corrosion resistance of Mg-Alloys by regulating precipitates at grain boundaries using rare earth oxides. Journal of Materials Science & Technology.
背景简介
镁合金因其独特的轻质高强度特性，在汽车、航空航天以及电子设备等多个领域中扮演着重要角色。然而，其活泼的化学性质使得镁合金在自然环境中容易遭受腐蚀，从而影响了材料的使用寿命和可靠性。为了克服这一难题，研究者们探索了多种方法来提高镁合金的抗腐蚀性能，这其中稀土元素微合金化是普适性最高、研究最广、效果最明显的方法之一。然而，考虑到稀土资源的战略价值及稀土镁合金制造成本高，不利于长期大规模工业化应用。
稀土元素主要通过改性腐蚀膜层结构及调控晶界含稀土元素相析出，进而改善合金的整体耐蚀性。近期，长沙理工大学陈荐教授、陈维副教授团队结合试验研究及理论计算发现稀土氧化物在提升镁合金耐蚀性能方面潜力巨大。当向镁合金中引入CeO2或La2O3时，可以促使T-(Mg1-x,Znx)11RE相（其中RE代表Ce或La）在晶界析出。这些相的存在及其分布模式对镁合金的腐蚀行为有显著影响。特别是添加CeO2的合金展示了卓越的抗腐蚀性能，这主要归功于细小且均匀分布的T相，它们有效地降低了微电偶腐蚀效应，并减少了与基体之间的电位差。相比之下，含La2O3的合金虽然也能诱导T相的形成，但其析出量较少且分布不均，导致了相对较弱的防腐效果。
此外，通过第一性原理计算与扫描开尔文探针力显微镜（SKPFM）分析进一步揭示了稀土氧化物改性镁合金中第二相之间以及第二相与基体间的电位差异。研究发现，在添加了CeO2的合金中，观察到(Mg1-x,Znx)11Ce相与Mg基体的电势差仅为107 mV，显著低于MgZn2相与Mg基体的215 mV电位差，这种微弱的电位差表明由该相引发的微电偶腐蚀效应相对较弱；而在添加La2O3的合金中，(Mg1-x,Znx)11La相与Mg基体之间的电位差达到了170 mV，且富Zr区与Mg基体之间存在高达550 mV的电势差，多重电偶对的耦合作用加剧了ZK60+La2O3合金中的微电偶腐蚀倾向。第一性原理还证实CeO2/Mg体系自发还原反应（ΔG1=-30.51 kcal/mol），而La2O3还原反应难以自发进行（ΔG2=4.51 kcal/mol），导致La基三元相分布不均匀且含量较低。
本研究通过实验与理论相结合的方式，深入剖析了稀土氧化物对镁合金微观组织及腐蚀行为的影响规律，提出了优化镁合金抗腐蚀性的新途径，旨在推动此类轻质高强材料在更多领域的广泛应用。研究成果发表于《Journal of Materials Science & Technology》，为相关领域的科研工作者提供了重要的参考价值。
成果介绍
（1）在ZK60合金中分别添加CeO2形成ZKC，添加La2O3形成ZKL，结果表明，CeO2和 La2O3的加入促进了T-(Mg1-x,Znx)11RE相（其中RE代表Ce或La）在晶界处的沉淀，显著影响了合金的耐腐蚀性。
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图1 (a) ZK60, ZK60+0.5 wt.% CeO2以及ZK60+0.5 wt.% La2O3三种合金在3.5 wt.% NaCl溶液中浸泡72 h的析氢体积；(b) 三种合金在3.5 wt.% NaCl溶液中浸泡72 h的总减重量
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图2（a）ZK60, ZK60+0.5 wt.%CeO2以及ZK60+0.5 wt.%La2O3在3.5 wt.% NaCl溶液中浸泡1 h后的极化曲线；（b）腐蚀电流密度Jcorr和腐蚀电位Ecorr
（2）研究对ZK60, ZK60+0.5wt.%CeO2以及ZK60+0.5wt.%La2O3三种合金进行了电化学测试，如图2(a)(b)可以看出，ZKC合金具有最显著的耐腐蚀性能，其特征是最低的析氢性（7.556 ± 0.27 mL）、腐蚀速率（5.533 mm y−1）和Jcorr（1.45 ± 0.16）× 10−4 A cm−2)。这种优越的性能归因于(Mg1-x, Znx)11Ce相在晶界处的均匀分布，有效地阻止了腐蚀介质的渗透。
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图3 不同Mg合金浸泡6h后的扫描电镜表面形貌： (a) ZK60，(b) ZKC，(c) ZKL；BSE图像显示样品在3.5 wt.% NaCl溶液中浸泡12 h后的横截面。(d) ZK60；(e) ZKC；(f) ZKL
在腐蚀的初始阶段，形成了如MgO这样的腐蚀层，有效地阻止了Cl⁻的侵入。在这一阶段，样品表面显得相对光滑。随着腐蚀时间的增加，非致密腐蚀层在应力作用下逐渐裂纹，为Cl⁻离子入侵提供了途径，导致基底的持续腐蚀。腐蚀产物的积累导致表面粗糙。从观察结果来看，与其他两种合金相比，ZKC样品的腐蚀产物明显较少；其部分基底没有完全被腐蚀产物覆盖，且腐蚀层无开裂。说明耐蚀性能较好。
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图4 SKPFM图像和第二的相对Volta电位的线轮廓分析：(a1) Zr-rich, (a2) MgZn2, (b1) (Mg1-x, Znx)11Ce, (c1) (Mg1-x,Znx)11La
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图5 ZK60+xCeO2 (x = 0.5, 1.0, and 1.5 wt.%)和ZK60+xLa2O3 (x = 0.1, 0.3, and 0.5 wt.%)的SKPFM结果；相对电位的线性分析
（4）随着CeO2/La2O3加入量的增加，Mg-Zn-RE三元相中Zn的原子比增加，同时Mg-Zn-RE相与Mg基体之间的电位差增加。这表明，微调稀土氧化物加成可以改变相组成，提高镁合金的耐腐蚀性。
致谢
该研究工作得到了国家自然科学基金项目（52201104）、湖南省自然科学基金项目（2023JJ40032）、湖南省教育厅项目（24B0321）的大力支持。论文通讯作者：长沙理工大学陈维副教授 (weichen@csust.edu.cn)，邱玮教授 (yekyek2009@126.com)。
本期小编 周立波（整理）
姚辰霖（校对）
郭子键（审核）
董乃健（发布）
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