摘要：鎂合金的耐腐蝕性能，不僅能通過添加稀土元素來增強(qiáng)，也可以通過熱處理工藝來提高。本文系統(tǒng)介紹了熱處理對(duì)含稀土元素的鎂合金耐腐蝕性能的影響的相關(guān)研究，并闡述了其內(nèi)在機(jī)理。在總結(jié)分析基礎(chǔ)上，提出了未來研究的方向。

關(guān)鍵詞：鎂合金;耐腐蝕性;熱處理;稀土元素

鎂合金密度低，比強(qiáng)度和比剛度高，在要求輕量化的工程應(yīng)用中有廣泛需求，如航天電子產(chǎn)品機(jī)箱、相機(jī)支架、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件以及變速裝置等[1-3]。鎂合金在汽車、3C工業(yè)、軍事、生物醫(yī)療等領(lǐng)域也得到了廣泛關(guān)注[4-5]。由于鎂合金還具有良好的生物相容性、力學(xué)性能和生物降解性，在骨科植入物中也具有廣泛的應(yīng)用潛力[6-7]。

隨著鎂合金應(yīng)用的逐步拓展，人們對(duì)于鎂合金優(yōu)良性能的需求不斷加大，鎂合金耐腐蝕性不佳的缺點(diǎn)也逐漸暴露，嚴(yán)重制約了鎂合金的廣泛應(yīng)用[8]，迫切需要研發(fā)新技術(shù)來改善鎂合金的耐腐蝕性。多年來，研究者為提高鎂合金耐腐蝕性能進(jìn)行了大量的研究。本文從熱處理工藝方面對(duì)含有稀土元素的鎂合金耐腐蝕性的相關(guān)研究進(jìn)行了系統(tǒng)介紹，旨在梳理該領(lǐng)域的研究進(jìn)展，并在總結(jié)分析基礎(chǔ)上，為下一步的研究提供建議，以更好服務(wù)于新興科技和產(chǎn)業(yè)對(duì)鎂合金材料的更高性能需求。

1 添加稀土元素對(duì)鎂合金耐腐蝕性能的影響

稀土元素主要在鎂合金中起到了三種作用[9]：（1）細(xì)化變質(zhì)作用：首先，在熔體合金中添加稀土元素后，會(huì)在凝固過程中形成分布于晶界以及枝晶邊界上的第二相，這將阻礙原子的擴(kuò)散，從而抑制晶粒的長(zhǎng)大，達(dá)到細(xì)化合金組織的作用[10-11]。;（2）固溶強(qiáng)化作用：通常稀土元素在鎂基體中均具有比較大的固溶度，主要通過固溶降低原子擴(kuò)散速率、阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)以達(dá)到固溶強(qiáng)化的作用;（3）時(shí)效沉淀強(qiáng)化作用：稀土元素固溶于鎂合金，在一定溫度下經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的時(shí)效處理后，會(huì)形成細(xì)小彌散的沉淀析出物，沉淀相熔點(diǎn)高、熱穩(wěn)定性好且尺寸小，與鎂基體具有良好的界面關(guān)系，從而提高耐腐蝕性能。

為了提高鎂合金的耐腐蝕性，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)鎂合金中添加稀土元素進(jìn)行了諸多探索。由于稀土元素的標(biāo)準(zhǔn)電極電位和鎂合金相近，且添加適量的稀土元素可細(xì)化鎂合金晶粒，因此可以提高鎂合金的耐蝕性，抑制其發(fā)生電化學(xué)腐蝕[12];但抗蝕性的效果好壞，還與鎂合金中第二相的數(shù)量和分布有關(guān)[13]。稀土元素的加入，可以細(xì)化晶粒，使得晶界增多，抗蝕性的粒子分散更為均勻，減緩腐蝕擴(kuò)散，且與多種稀土協(xié)同作用的時(shí)候，效果更佳[14]。在稀土元素可細(xì)化鎂合金晶粒方面，有研究顯示，元素 Y、Nd、Gd 等稀土能通過細(xì)化鎂合金晶粒，來提高合金的耐腐蝕性[15-16]。

綜上，在鎂合金中添加稀土元素，會(huì)對(duì)其耐腐蝕性產(chǎn)生顯著的促進(jìn)作用，而且還可以帶來其他的優(yōu)良性能，如抗拉、抗疲勞和耐磨性等。

2 熱處理對(duì)鎂合金耐腐蝕性能的影響

熱處理可以改善鎂合金的使用性能和工藝性能，使材料的潛力得到充分釋放。通過合適的熱處理手段，可以將組織粗大的鎂合金轉(zhuǎn)變?yōu)榻M織均勻、晶粒細(xì)小的組織，去除加工應(yīng)力，穩(wěn)定工件尺寸;改善鎂合金中第二相的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和分布狀態(tài)，并且獲得良好且穩(wěn)定的綜合性能[17]。其中固溶處理（T4）、人工時(shí)效（T5）和固溶后人工時(shí)效（T6）是鎂合金常用的熱處理工藝方法。通過固溶處理，將提高不耐腐蝕性的第二相固溶于鎂基體中，形成過飽和的固溶體，提升耐腐蝕性，但時(shí)效處理往往會(huì)將固溶進(jìn)去的不耐腐蝕的第二相重新析出而導(dǎo)致耐腐性能下降。

目前，已有不少關(guān)于熱處理提高鎂合金耐腐蝕性能的相關(guān)研究。如Aung等[18]的研究發(fā)現(xiàn)，熱處理可以提高AZ91D鎂合金在模擬體液中的耐腐蝕性;張帆等[19]研究了固溶處理對(duì)鎂合金耐腐蝕性能的影響，發(fā)現(xiàn)固溶處理可以提高鎂合金材料的耐腐蝕性能;劉寶勝等[20]對(duì)比了鎂合金進(jìn)行固溶處理和時(shí)效處理后的耐蝕性能，發(fā)現(xiàn)經(jīng)時(shí)效處理的樣品耐蝕性最差，且隨著時(shí)效處理的時(shí)間延長(zhǎng)，耐蝕性經(jīng)一步削弱，而固溶處理的樣品耐蝕性最好。

不同的熱處理工藝會(huì)對(duì)鎂合金耐腐蝕性產(chǎn)生不同程度的影響，所以對(duì)鎂合金采取合適的熱處理方法來改善其耐腐蝕性非常重要。

3 熱處理及添加稀土元素共同作用對(duì)鎂合金耐腐蝕性能的影響

目前，通過對(duì)鎂合金添加稀土元素，或者進(jìn)行熱處理工藝，來提高耐腐蝕性能的研究相對(duì)較多，而采用熱處理及添加稀土元素兩者相結(jié)合的研究并不多。

3.1 稀土元素對(duì)于鎂合金在熱處理前的重要作用

稀土元素作為一種重要的合金化元素，具有獨(dú)特的核外電子排布，在冶金、軍工、材料等領(lǐng)域中起著不可替代的作用。稀土元素可改變第二相的形態(tài)、細(xì)化合金組織、凈化合金熔體、提高合金耐腐蝕性及力學(xué)性能等，而熱處理會(huì)影響第二相的分布、晶粒尺寸的大小等，以此進(jìn)一步提高合金的耐腐蝕性。

在熱處理前，稀土元素的含量會(huì)直接對(duì)鎂合金的耐腐蝕性能產(chǎn)生較大的影響，如師慧娜等[21]、單玉郎等[22]和Xie 等[23]的研究，分別發(fā)現(xiàn)適量的稀土元素Dy、Gd和Y可以減小晶粒尺寸，有效增加鎂合金的耐腐蝕性能，而添加的稀土元素在適量的取值范圍之外時(shí)，鎂合金的耐腐蝕性能反而會(huì)降低。由于鎂合金的基體會(huì)與添加的稀土元素結(jié)合，生成耐腐蝕的第二相，為熱處理影響第二相的分布提供了基礎(chǔ)條件。

3.2 熱處理對(duì)含稀土元素鎂合金的重要影響

研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行過熱處理的稀土鎂合金，相較于沒有進(jìn)行過熱處理的稀土鎂合金，前者的耐腐蝕性能要優(yōu)于后者。由于稀土鎂合金中會(huì)產(chǎn)生不耐腐蝕的陰極第二相和耐腐蝕性的第二相，因此，熱處理工藝會(huì)對(duì)稀土鎂合金的耐腐蝕性能產(chǎn)生重要的影響：固溶處理不僅可以將不耐腐蝕的陰極相固溶于鎂基體中，還可以改善耐腐蝕第二相的分布狀況，讓更多的耐腐蝕相分布于晶界處，并且將組織均勻化，提高耐腐蝕性;而進(jìn)行了時(shí)效處理，則會(huì)將固溶于鎂基體中的陰極相重新析出，降低耐腐蝕性。

許多學(xué)者在熱處理工藝方面對(duì)稀土鎂合金的影響進(jìn)行了多次的實(shí)驗(yàn)和反復(fù)的比對(duì)。鄭麗鴿等[24]研究了Mg-1Zn-0.3Zr-2Gd-0.3Sr 合金在510 ℃ 的條件下固溶 10小時(shí)，隨后進(jìn)行 220 ℃不同保溫時(shí)長(zhǎng)的時(shí)效處理，發(fā)現(xiàn)時(shí)效時(shí)間為 4小時(shí)時(shí)，鎂合金的平均腐蝕速率最小約為 0.41 mm/a。張帆等[19]的研究表明，530 ℃固溶 8小時(shí)后，Mg-Dy-Zn 合金將析出相幾乎完全固溶進(jìn)去，顯示出優(yōu)異的耐腐蝕性能。Jana等[25]發(fā)現(xiàn)，對(duì)添加了稀土元素的鎂合金進(jìn)行合適的熱處理后，可在不損害生物相容性的情況下，使第二相重新分布，從而提高鎂合金的耐腐蝕性能。

還有一些研究，考察了固溶處理對(duì)于稀土鎂合金耐腐蝕性能的影響。如焦迪[26]等以含稀土Gd和Y元素的Mg-Gd-Y 鎂合金為試樣，通過不同的熱處理工藝手段，研究發(fā)現(xiàn)，固溶處理使得試樣的全部共晶組織和第二相粒子溶解到基體晶粒內(nèi)，在晶粒中彌散均勻分布，且組織趨于均勻，耐腐蝕性能提高;在時(shí)效過程中，過飽和固溶體逐漸分解，并在晶界處產(chǎn)生一些小顆粒狀的析出物，導(dǎo)致耐腐蝕性能相比固溶態(tài)有所下降。然后，通過極化曲線分析，固溶態(tài)的鎂合金比時(shí)效態(tài)的腐蝕電位要高，腐蝕電流要小，而腐蝕電流越小，合金的耐蝕性能越好，更難發(fā)生腐蝕。孫毅[13]等對(duì)Mg-Zn-Y-Zr-Ca鎂合金的研究也得到了相同的結(jié)論。

上述研究顯示，合適的熱處理工藝（特別是固溶處理）可以進(jìn)一步提高含稀土鎂合金的耐腐蝕性能，在提高鎂合金耐腐蝕性方面具有極大的作用。

4 熱處理增強(qiáng)含稀土元素的鎂合金耐腐蝕性能的作用機(jī)理

鎂材料通常作為陽極，會(huì)與雜質(zhì)或陰極第二相組成電偶腐蝕對(duì)，腐蝕速率快。在鎂合金添加稀土元素會(huì)改善其組織結(jié)構(gòu)、細(xì)化晶粒，產(chǎn)生耐腐蝕相等，熱處理會(huì)對(duì)其耐腐蝕性能做進(jìn)一步強(qiáng)化。同時(shí)，熱處理會(huì)對(duì)稀土鎂合金的第二相分布、晶粒大小及均勻性等方面產(chǎn)生影響，并以此來增加稀土鎂合金的耐腐蝕性能。

為了綜合發(fā)揮稀土元素和熱處理的作用，研究者對(duì)添加了稀土元素的鎂合金進(jìn)行熱處理。對(duì)稀土鎂合金進(jìn)行固溶、時(shí)效等處理，由于固溶態(tài)的鎂合金大部分共晶組織和陰極第二相溶解到鎂基體中，減少了微電池的形成，強(qiáng)化了晶界，有助于耐腐蝕性能的提高。而時(shí)效態(tài)比固溶態(tài)腐蝕速率略大，是因?yàn)榕c固溶態(tài)相比，時(shí)效處理時(shí)會(huì)將溫度降低，晶粒內(nèi)的過飽和固溶體分解，原本固溶進(jìn)鎂基體的陰極第二相會(huì)在低溫下沿晶界處及周圍產(chǎn)生細(xì)小顆粒狀的析出相，并且在晶界上逐漸堆積，促進(jìn)了微電池的形成，因此其耐腐蝕性能下降。長(zhǎng)時(shí)間固溶處理致使晶粒粗化長(zhǎng)大，減小了晶界的界面面積，而腐蝕過程也與晶界的多少有關(guān)，晶界越多，腐蝕面積越大，其腐蝕速率也就越快。稀土元素的加入細(xì)化了晶粒，晶界增多，而鎂合金進(jìn)行固溶處理使晶界粗化增大后，晶界減少，腐蝕面積也就減少了，增加了耐腐蝕性能。

5 結(jié)語

鎂合金具有一系列的優(yōu)良性質(zhì)，在諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是，其薄弱的耐腐蝕性能，是限制其發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵性問題。因此，研究提高鎂合金耐腐蝕性能的工藝是鎂合金發(fā)展的重要方面。通過不同的熱處理工藝來提高含稀土元素的鎂合金材料的耐腐蝕性，是當(dāng)前鎂合金研究領(lǐng)域的重要研究方向。目前，這一領(lǐng)域的研究雖然取得了不少的成果，但仍處在初始階段。

通過熱處理提高含稀土元素的鎂合金的耐腐蝕性能，未來研究可以從以下幾個(gè)方面繼續(xù)深入：

（1）研究不同熱處理工藝對(duì)含不同種類稀土元素及不同含量鎂合金的耐腐蝕性的影響。稀土元素足有17種之多，不同元素在鎂合金中擁有不同的固溶度，其產(chǎn)生的耐腐蝕性能程度也不盡相同;同時(shí)，采用不同的熱處理工藝對(duì)鎂合金的耐腐蝕性能也會(huì)有不同的效果。因此，未來研究可以在以上方面進(jìn)行系統(tǒng)考察。

（2）熱處理和表面處理技術(shù)共同作用于稀土鎂合金。鎂合金中添加稀土元素后，再進(jìn)行熱處理，有效提高了耐腐蝕性能。在此基礎(chǔ)上，再對(duì)鎂合金進(jìn)行表面處理，如攪拌摩擦加工等，對(duì)鎂合金的耐腐蝕性能將會(huì)進(jìn)一步提升，也有利于擴(kuò)大其在汽車、航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用，未來可以對(duì)此進(jìn)行深入研究。

（3）熱處理和納米技術(shù)共同作用于稀土鎂合金。納米技術(shù)作為近年來材料科學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，組織納米化能夠一定程度上提高稀土鎂合金的耐腐蝕性。熱處理后的稀土鎂合金能通過納米技術(shù)，將組織納米化;或者將組織納米化后的稀土鎂合金，通過一定的熱處理工藝，來顯著提升鎂合金的耐腐蝕性能。這一研究領(lǐng)域也將擁有極大的發(fā)展空間。

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作者簡(jiǎn)介：胡嘉瑞（2000年11月11日），男，漢族，湖北省，本科，本科學(xué)生，青海大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，青海大學(xué)