Mg-7Y-2.5Zn-2Si/Al鎂合金的電化學腐蝕行為研究

楊龍飛，付廣艷，姬 森，李洪澤

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Mg-7Y-2.5Zn-2Si/Al鎂合金的電化學腐蝕行為研究

楊龍飛，付廣艷，姬 森，李洪澤

（沈陽化工大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110142）

鎂合金具有較高的比強度、比剛度等優點，廣泛應用于各個領域，如汽車、飛機、醫用材料等，但鎂合金耐蝕性很差，為了更好地了解鎂合金耐電化學腐蝕性能，本文將鎂合金 Mg-7Y-2.5Zn-2Al和Mg-7Y-2.5Zn-2Si試樣分別進行電化學腐蝕實驗，在介質為3.5%NaCl水溶液和SBF溶液(模擬體液)，腐蝕后用動電位極化法繪制出動電位極化曲線，用掃描電鏡(SEM)觀察鎂合金表面形貌，并采用維氏硬度儀分析其對鎂合金硬度的影響。鎂合金的電化學腐蝕行為實驗結果顯示，含 Si 鎂合金在3.5% NaCl 溶液和SBF溶液中耐電化學腐蝕性能好于含 Al鎂合金。

電化學腐蝕；電位極化法；鎂合金

鎂合金應用范圍廣泛[1-3]，尤其是近些年鎂合金作為生物材料應用于生物領域[4]，但鎂的化學性質十分活潑，導致鎂合金的耐腐蝕性很差，在腐蝕性介質中很容易發生嚴重的腐蝕。由于鎂合金較差的耐蝕性因而限制了它的廣泛應用。因此要擴大鎂合金的應用范圍，首要任務是提高其耐蝕性。所以研究鎂合金的腐蝕機理對于鎂合金防護尤為重要[5]。本文通過一系列的實驗研究，探索鎂合金在3.5% NaCl水溶液和SBF溶液(模擬體液)中的腐蝕現象，為研究和發展鎂合金耐電腐蝕性能提供參考。

1 實驗部分

實驗的基體材料為鎂合金 Mg-7Y-2.5Zn-2Al和Mg-7Y-2.5Zn-2Si，將兩種材料分別切割成10 mm×10 mm×15 mm的試樣，鉆孔、打磨、清洗，用銅導線與試樣相連，在連接處用環氧樹脂密封并留出1 cm2工作表面。

采用動電位極化法測定電化學極化曲線，研究Mg-7Y-2.5Zn-2Al和Mg-7Y-2.5Zn-2Si在3.5% NaCl水溶液及SBF溶液中的電化學腐蝕行為，觀察兩種試樣腐蝕后試樣形貌并分析兩種試樣腐蝕前后硬度變化。

2 結果與分析

2.1 動電位電化學極化曲線

通過動電位極化曲線測試評價鎂合金試樣Mg-7Y-2.5Zn-2Al和Mg-7Y-2.5Zn-2Al的耐蝕性能，圖 1和圖2分別為兩種試樣在 3.5% NaCl 水溶液和SBF溶液中的動電位極化曲線。由圖1和圖2可見， Mg-7Y-2.5Zn-2Al和Mg-7Y-2.5Zn-2Si在 3.5% NaCl 溶液和SBF溶液中幾乎不產生鈍化趨勢，整個過程呈活性溶解狀態，說明鎂合金試樣Mg-7Y-2.5Zn-2Al和Mg-7Y-2.5Zn-2Al在3.5% NaCl 溶液和SBF溶液中發生嚴重腐蝕。

表1為兩種試樣在 3.5% NaCl 溶液和SBF中腐蝕電位和腐蝕電流密度。

表1 Mg-7Y-2.5Zn-2Si/Al合金在 3.5%NaCl水溶液和SBF中的電化學參數

在 3.5% NaCl 溶液中兩種試樣從自腐蝕電位相比，自腐蝕電位相差較小，但Mg-7Y-2.5Zn-2Si自腐蝕電位相對較低，其先發生腐蝕。而從其腐蝕電流密度相比，Mg-7Y-2.5Zn-2Al的腐蝕電流密度較大，因此其腐蝕較快。而在SBF溶液中兩種試樣從自腐蝕電位相比，Mg-7Y-2.5Zn-2Si自腐蝕電位較低，其先發生腐蝕。從其腐蝕電流密度相比，Mg-7Y-2.5Zn-2Al的腐蝕電流密度也最高，也腐蝕較快。

圖2 Mg-7Y-2.5Zn-2Si/Al合金在SBF中的動電位極化曲線

2.2 動電位極化后鎂合金表面形貌

圖3和圖4分別為兩種試樣在3.5% NaCl水溶液和SBF中動電位極化后的表面形貌。通過金相顯微鏡觀察如圖3可見，兩種試樣在3.5%NaCl水溶液中Mg-7Y-2.5Zn-2Al試樣腐蝕后表面產生較大的蝕點，而Mg-7Y-2.5Zn-2Si試樣腐蝕后表面無明顯的蝕點。所以Mg-7Y-2.5Zn-2Si試樣與Mg-7Y-2.5Zn-2Al試樣相比較，Mg-7Y-2.5Zn-2Al試樣在3.5%NaCl 溶液中腐蝕更為嚴重。而通過金相顯微鏡觀察如圖4可見，在SBF溶液中，Mg-7Y-2.5Zn-2Al試樣表面大部分覆蓋著黑色腐蝕產物，腐蝕嚴重，表面基本都被破壞。但Mg-7Y-2.5Zn-2Si試樣依稀能看到基體，腐蝕情況相比之下較輕，但是也發生明顯腐蝕。

圖3 Mg-7Y-2.5Zn-2Si/Al合金在3.5%NaCl水溶液中腐蝕后的表面形貌

圖4 Mg-7Y-2.5Zn-2Si/Al合金在SBF中腐蝕后的表面形貌

3 結果分析

Mg-7Y-2.5Zn-2Al和Mg-7Y-2.5Zn-2Si兩種試樣在 3.5% NaCl 溶液和SBF溶液中腐蝕速率較快，沒有產生鈍化現象，其原因是熔煉鎂合金含有大量的 Mg，金屬鎂的腐蝕主要以單價鎂離子的溶解機理進行，即金屬鎂首先失去電子而變成單價的鎂離子，而后單價的鎂離子與水反應生成更為穩定的二價鎂產物，放出氫氣對應的鎂的陽極溶解過程可寫成：

Mg→Mg++e

Mg++H2O→Mg2++OH-+1/2H2

生成主要產物為 Mg(OH)2, 同時有大量氫氣產生。隨著反應的進行，腐蝕發生程度越大，腐蝕破壞越嚴重。因為兩種溶液中都含有Cl-，隨著腐蝕反應的進行，Cl-進入腐蝕孔，更進一步加速了腐蝕的發生速度。

由極化曲線及試樣腐蝕后形貌，可知含Si試樣比含Al試樣自腐蝕電位低，因此含Si試樣先發生腐蝕，但含Si試樣腐蝕電流密度低，其腐蝕速度較慢。并且由其腐蝕后形貌可知，含Al試樣更易腐蝕。這是由于Si是耐腐蝕元素，具有良好的耐Cl-的腐蝕的特性，能改善耐腐蝕性能，其有時候可以在腐蝕介質中形成富含Si的表面膜來提高其耐腐蝕性能。

雖然含Al試樣也可提高其耐蝕性[6]，但是因為其中Al的含量少、附著力差，因而其形成的保護性Al2O3層少且疏松，并不足以阻止含Al鎂合金在含有較多的腐蝕介質中發生深孔腐蝕。

4 結論

Mg-7Y-2.5Zn-2Al和Mg-7Y-2.5Zn-2Si兩種試樣在 3.5%NaCl 溶液和SBF溶液中都沒有產生鈍化現象，發生較為嚴重腐蝕。其中，Mg-7Y-2.5Zn-2Si鎂合金相對于Mg-7Y-2.5Zn-2Al鎂合金在兩種電解液中腐蝕電流密度小，腐蝕后形貌變化相對較小，因此其耐蝕性能相對較好。

［1］曹榮昌, 柯偉, 徐永波. 鎂合金的最新進展及應用前景[J]. 金屬學報，2001, 51(1): 2-13.

［2］陳虎. 鎂合金的研究及其在汽車輕量化中的應用[J]. 企業技術開發，2009, 28(11): 7-9.

［3］杜文博, 吳玉鋒, 左鐵鏞. 鎂合金在交通工具中的應用現狀[J]. 世界有色金屬，2006 (2): 19-21.

［4］張佳，宗陽，付彭懷，袁廣銀，丁文江鎂合金在生物醫用材料領域的應用及發展前景[J]. 中國組織工程研究, 2009, 13 (29): 5747-5750.

［5］余剛, 劉躍龍. Mg 合金的腐蝕與防護[J]. 中國有色金屬學報, 2002, 12(6): 1087-1198.

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［7］Akavipat S. Corrosion in magnesuim and a magnesium alloy (AZ91C) as modified by ion implantation, in physics[M]. Universiy of Missouri-rolla. 1985.

［8］Song G L, Atrens A. Corrosion mechanisms of magnesium alloys[J]. Advanced Engineering Materials，1999, 1 (1): 11-13.

Study on the Electrochemical Corrosion Behavior of Mg-7Y-2.5Zn-2Si/Al Magnesium Alloy

,,,

（Shenyang University of Chemical Technology, Liaoning Shenyang 110142，China）

Magnesium alloy with high specific strength and stiffness is widely applied in various fields, such as cars, aircrafts, medical materials, etc. However, magnesium alloy has the poor corrosion resistance. In this paper, in order to improve the electro-chemical corrosion resistance of magnesium alloy, the electrochemical corrosion properties of Mg-7Y-2.5Zn-2Al magnesium alloy and Mg-7Y-2.5Zn-2Si magnesium alloy were studied in 3.5% NaCl and SBF solution. After the electrochemical corrosion test, the dynamical potential polarization curve was drawn by the dynamical potential polarization method;vickers hardness test was conducted for two samples, and surface morphology was observed by scanning electron microscopy (SEM). The electrochemical experimental results show that the Si-containing magnesium alloy has better corrosion resistance than the Al-containing magnesium alloy. The surface hardness of magnesium alloy is almost no change before and after electrochemical corrosion test .

electrochemical corrosion;potential polarization method；magnesium alloy

大學生創新創業訓練計劃，項目號：201610149020。

2017-03-27

楊龍飛（1994-），男，新疆維吾爾自治區石河子市人，研究方向：金屬材料工程。

付廣艷（1965-），女，教授，博士，研究方向：金屬材料的顯微組織控制及腐蝕與防護。

O 646.6

A

1004-0935（2017）05-0426-03