郑州大学重磅研究:Sc微合金化让Mg-4Al-0.5Mn镁合金在NaCl中腐蚀速率直降57%,枝晶偏析竟成“防腐利器”!

本文的创新之处在于系统揭示了Sc元素在Mg-4Al-0.5Mn合金中引发的第二相转变（从Al11Mn14到Al-Sc-Mn）及其对枝晶偏析的促进效应，并对比分析了该合金在简单NaCl溶液与复杂Hanks'溶液中截然不同的腐蚀演化路径，强调了腐蚀介质成分对产物层稳定性与腐蚀机制的决定性作用。

图1： 该图展示了不同Sc含量下Mg-4Al-0.5Mn-xSc合金的光学显微组织。随着Sc含量从0增加至1.0 wt.%，合金的晶粒形态从等轴胞状晶逐渐转变为发达的树枝晶，且枝晶偏析程度显著加剧。图中还通过SEM形貌及元素面分布和线扫描结果，直观证实了Al、Mn和Sc元素在枝晶界处的富集现象，表明Sc的添加促进了溶质元素在凝固前沿的再分配，从而加剧了成分不均。

图2： 该图呈现了合金中第二相的SEM形貌、XRD图谱及TEM分析结果。随着Sc含量增加，第二相体积分数先升后降，且相组成从0Sc合金中的Al11Mn14相转变为Sc添加合金中的Al2Sc相。TEM选区电子衍射进一步确认了Al-Sc-Mn相的存在，作者通过混合焓理论解释了Al与Sc优先结合导致Mn被替代的相变机制，揭示了Sc对合金微观组织的根本性调控作用。

图4： 该图对比了四种合金在0.9 wt.% NaCl溶液和Hanks'溶液中浸泡504小时后的腐蚀形貌。在NaCl溶液中，0Sc和0.2Sc合金表面呈现出严重的局部腐蚀坑，而0.6Sc和1.0Sc合金表面腐蚀更为均匀，仅见枝晶界腐蚀沟槽。在Hanks'溶液中，所有合金表面均覆盖有含Ca-P盐颗粒的腐蚀产物层，且随着Sc含量增加，产物层中Ca-P颗粒数量增多，显示出介质对腐蚀产物沉积行为的显著影响。

图13： 该图为合金在Hanks'溶液中浸泡504小时后腐蚀产物截面的EPMA元素面分布图。结果显示腐蚀产物层呈现典型双层结构：外层为Ca-P盐富集区，均匀连续，起到显著的物理屏障作用；内层为MgO/Mg(OH)2富集区，紧邻基体。在0Sc和0.2Sc合金中，Al和O在近表层出现共富集特征，证实Al2O3的存在，而Sc和Mn的富集信号主要局限于未溶解的第二相颗粒处，表明其在腐蚀过程中不易进入产物层。

图14： 该图以示意图形式总结了Mg-4Al-0.5Mn-xSc合金在两种介质中的腐蚀机理差异。在NaCl溶液中（a），高浓度的Clˉ离子破坏了Mg(OH)2/Al2O3层的完整性，导致严重的点蚀，而Sc的加入通过生成稳定的Sc2O3和形成均匀分布的枝晶微电偶，将腐蚀模式从局部转向均匀。在Hanks'溶液中（b），Ca-P盐的快速沉积覆盖了基体表面，抑制了Clˉ的侵蚀，同时降低了第二相与基体间的电偶腐蚀效应，从而显著减缓了整体腐蚀速率。