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(dǎo)致其在實(shí)際應(yīng)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(jìn)一步加強(qiáng)?！痉椒ā客ㄟ^對ZK40A鎂合金進(jìn)行不同溫度的固溶處理，分別采用析氫、失重、電化學(xué)試驗(yàn)等對不同溫度固溶處理后的鎂合金腐蝕性能進(jìn)行研究。利用OM與SEM對合金組織、腐蝕產(chǎn)物和腐蝕形貌進(jìn)行觀察，并使用XRD對其進(jìn)行物相分析?！窘Y(jié)果】ZK40A在固溶處理后改善了鑄態(tài)合金組織的不均勻性，在400～450 ℃的固溶范圍內(nèi)出現(xiàn)了再結(jié)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?！窘Y(jié)論】固溶處理能夠有效改善鑄態(tài)ZK40A的耐蝕性能，熱處理溫度控制在400～450 ℃較為適宜。

關(guān)鍵詞：ZK40A；固溶溫度；顯微組織；耐腐蝕性能

中圖分類號(hào)：TG146.22" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：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(zhì)量輕、高比強(qiáng)度、高剛度和低密度等優(yōu)良性能，在航空航天、飛機(jī)、汽車、通信等行業(yè)中廣泛應(yīng)用［1］。相較于其他的傳統(tǒng)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(lǐng)域中的應(yīng)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(xù)分布的。王強(qiáng)等［3］研究了熱處理狀態(tài)下的ZK61合金的力學(xué)性能，在經(jīng)過400 ℃×20 h+170 ℃×10 h后，力學(xué)性能較之鑄態(tài)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(shí)效處理均可以提高合金的耐蝕性，固溶態(tài)的性能最好，時(shí)效態(tài)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(jīng)過固溶處理后的合金第二相逐漸減少，晶界粗化且連續(xù)，力學(xué)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(yùn)用鑄態(tài)ZK40A鎂合金對其進(jìn)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(yàn)

試驗(yàn)材料為鑄態(tài)ZK40A鎂合金，其化學(xué)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(jìn)行固溶處理，固溶溫度分別為350、400、 450、500和550 ℃，保溫時(shí)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(xué)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(qū)域進(jìn)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(huán)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(jī)動(dòng)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(jìn)行動(dòng)電位極化曲線測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 合金顯微組織分析

鑄態(tài)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(tài)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(dá)到350 ℃后，經(jīng)過退火處理后產(chǎn)生一些孿晶。隨著溫度的升高，鎂合金開始出現(xiàn)再結(jié)晶，在固溶溫度加熱到400 ℃時(shí)，在晶界處產(chǎn)生再結(jié)晶，當(dāng)溫度升高加熱到450 ℃時(shí)，再結(jié)晶晶粒數(shù)量減少，晶粒形狀均勻，孿晶數(shù)量也逐漸增加。當(dāng)溫度達(dá)到500 ℃時(shí)，晶粒尺寸逐漸變大且孿晶數(shù)量開始減少。當(dāng)溫度達(dá)到550 ℃時(shí)，晶粒尺寸驟增，第二相基本溶入鎂基體中。

鑄態(tài)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(tài)ZK40A第二相呈不規(guī)則分布，主要分布在晶粒內(nèi)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(nèi)的第二相逐漸減少，在450 ℃時(shí)，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(xù)分布。在達(dá)到550 ℃時(shí)，晶粒顯著變大，呈不連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，晶粒內(nèi)部出現(xiàn)細(xì)小顆粒狀的第二相。

鑄態(tài)及不同溫度固溶處理的ZK40A XRD測試結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，鑄態(tài)合金及各種固溶態(tài)合金的衍射峰基本一致，鑄態(tài)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(huì)進(jìn)一步溶解，Zr具有晶粒細(xì)化的作用，會(huì)使材料的晶粒尺寸減小，所以合金的內(nèi)部會(huì)存在很多細(xì)小的晶粒，這會(huì)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(qiáng)度逐漸升高再降低，在400 ℃時(shí)第二相的衍射峰強(qiáng)度達(dá)到峰值，然后逐漸降低，并在550 ℃時(shí)，可第二相基本溶入Mg基體中。

2.2 腐蝕試驗(yàn)分析

鑄態(tài)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(tài)合金的腐蝕速率明顯要高于固溶態(tài)合金。由于鑄態(tài)合金在晶界處有較多的粗大共晶相和雜質(zhì)，在腐蝕過程中與基體極易形成原電池，進(jìn)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(zhì)且隨著固溶溫度的升高產(chǎn)生再結(jié)晶，組織更加細(xì)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(shù)量也會(huì)影響合金的耐腐蝕性能，第二相是連續(xù)分布或者含量較多會(huì)使耐腐蝕性能降低，而第二相分布為分散狀態(tài)的耐腐蝕性能要好于條帶狀連續(xù)分布的［2］，當(dāng)溫度在450 ℃時(shí)，條狀第二相消失且第二相為顆粒狀沿著晶界處連續(xù)分布，其耐腐蝕性能最好， 其次是400、500，350、550 ℃和鑄態(tài)件。

鑄態(tài)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(tài)和固溶態(tài)試件的腐蝕速率變化基本一致，皆呈現(xiàn)出先迅速上升隨后逐漸緩慢下降的態(tài)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(yàn)結(jié)果相吻合。

合金在3.5%NaCl 溶液中所測得的動(dòng)態(tài)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(qiáng)，ZK40A極化曲線的擬合結(jié)果見表2。由表2可知，隨著固溶溫度的升高，腐蝕電壓呈現(xiàn)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(jīng)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(yàn)相吻合。

鑄態(tài)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(xiàn)出嚴(yán)重的晶界腐蝕，出現(xiàn)沿著晶界分布的網(wǎng)格狀裂紋。鑄態(tài)件的腐蝕裂紋相較于固溶件更寬更深，腐蝕程度最為嚴(yán)重。經(jīng)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(wǎng)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(xué)的極化曲線結(jié)果一致。

3 結(jié)論

①ZK40A在固溶處理后改善了鑄態(tài)合金組織的不均勻性，在400～450℃的固溶范圍內(nèi)出現(xiàn)了再結(jié)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(tài)。固溶處理有效改善了鑄態(tài)ZK40A的耐蝕性能，熱處理溫度控制在400～450 ℃較為適宜。

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