导读：在汽车和航空航天应用的轻质结构件中，具有高强度和优良耐腐蚀性的镁合金一直是人们所追求的。然而，对于大多数具有高比强度的镁合金，它们通常具有较差的耐腐蚀性，反之亦然。在这项工作中，通过常规铸造、溶液处理和挤压，成功开发了Mg-11Y-1Al（wt%）合金。该合金的整体性能特点是腐蚀率低于0.2 mm y^-1，具有350 MPa的高屈服强度和8%的适中拉伸伸长率，其组合与文献中其他对比的镁合金相比显示出竞争优势。研究发现，借助于Al₂O₃/Al(OH)₃沉积，可以快速形成一层薄而致密的Y₂O₃/Y(OH)₃保护膜，使该合金免受腐蚀介质的进一步攻击。同时，细化的晶粒、薄弱的纹理和非基底滑移系统的激活共同促成了高强度和良好的延展性。我们的研究结果有望为下一代高性能镁合金的设计提供启发。

作为最轻的金属结构材料，镁（Mg）合金在工业上有很大的潜力，因为轻量化是减少能源消耗和碳足迹的关键途径，但其在室温下较差的机械性能和较弱的抗腐蚀性是限制其应用的两个主要瓶颈。众所周知，镁的低强度和有限的延展性源于其固有的弱结合力和室温下滑移系统的不足，而耐腐蚀性差主要是由于其低腐蚀电位和其表面的多孔腐蚀产物。为了解决镁合金的这两个长期存在的问题，在过去的几十年里，从合金设计到制造工艺，已经制定了各种策略。

虽然镁合金的机械性能可以通过微合金化，特别是添加稀土（RE）元素和/或晶粒细化得到有效改善，但改善其耐腐蚀性是一个不同的故事。高纯镁（HP-Mg，Mg≥99.99 wt. %）的腐蚀率为0.3~0.5 mm y-1 12，这是相当好的，但由于其屈服强度很低。

镁合金的使用环境通常需要高标准的机械和抗腐蚀性能，以确保良好的结构完整性和耐久性。不幸的是，这两个要求往往是相互矛盾的。例如，Mg-RE二元合金的腐蚀率随着RE含量的增加而成倍增加20，这归因于含RE的二次相和镁基体之间形成电化学电池。尽管一些研究人员提出了在减轻二次相的副作用的同时提高强度和耐腐蚀性的策略，并且最近通过致密超细双胞胎实现了有希望的强度-腐蚀协同作用，但问题仍然存在，要么整体性能远远不能满足，要么制造工艺复杂。值得一提的是，Mg-RE二元合金的腐蚀率可以通过添加第三种合金元素和优化微观结构来降低。研究发现，引入长周期堆积有序（LPSO）相可以将Mg-RE合金的腐蚀行为从点状腐蚀变为均匀腐蚀，并在一定程度上降低腐蚀速率。锌是Mg-RE合金中通常添加的第三种元素，通过常规铸造和随后的热变形建立LPSO相。然而，Mg-RE-Zn合金的整体性能与使用条件的要求之间仍有明显差距。

在这项工作中，上海交通大学曾小勤教授团队等人提出了一个含有LPSO相的Mg-Y-Al系统，作为下一代高性能镁合金的一个有希望的候选材料，基于以下两个假设。首先，Al添加到Mg-Y基合金中可以在熔融镁中形成稳定的Al2Y相，这提供了有效的异质成核点，以促进在凝固过程中形成精细和等轴的α-Mg晶粒，这可能有利于机械性能28。其次，加入Al对腐蚀速率的加速作用不如Zn16，使其在溶解后的中性溶液中比Zn更容易沉积在镁的表面29,30。然后，我们通过传统的铸造，然后挤压，成功地制造了一个模型合金（Mg-11Y-1Al，重量百分比）。不同长度尺度的微观结构，Mg-11Y-1Al合金及其基础合金Mg-11Y的机械和腐蚀行为得到了全面的描述。还分别讨论了其强度、延展性和耐腐蚀性的基本机制。

相关研究成果以题“Towards development of a high-strength stainless Mg alloy with Al-assisted growth of passive film”发表在著名期刊Nature上。

链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-33480-w

图1

a 氢演化率和失重率；b 铸造（F）W11样品的显微结构；c-e分别为铸造（F）、T4-1和T4-EX-1 WA111样品的显微结构。f 设计的WA111合金和其他用传统方法制备的镁合金的屈服强度和腐蚀率的比较，其中伸长率低于5%的合金用开放符号表示，而高于5%的合金用完整符号表示，粉色和蓝色的椭圆背景分别代表强度-腐蚀权衡的一般趋势。(腐蚀率是由3.5 wt.%NaCl溶液中的浸泡实验得到的数据转换而来）。

图2

A铸造W11二元合金浸泡1天；b铸造WA111合金浸泡1天；c铸造WA111合金浸泡14天。

图3

a XPS深度图，表明存在各种表面层（XPS刻蚀率，Ta2O5为0.08 nm s^-1）；b-d是a中b-d位置的Mg、Y和Al的相应元素价态信息，证实它们分别以MgO、Y₂O₃和Al₂O₃的形式存在。

图4

a W11和WA111合金浸泡1.5小时后的电位极化（PDP）曲线；b W11和WA111合金浸泡1.5小时后的电化学阻抗光谱（EIS）的奈奎斯特图；c WA111合金浸泡不同时间后的EIS的奈奎斯特图。这些奈奎斯特图的拟合线也在上面列出。

如前所述，如何同时提高镁合金的机械性能和耐腐蚀性是一个长期的挑战。在我们目前的研究中开发的WA111合金为实现这一目标提供了理想的解决方案。WA111合金优良的耐腐蚀性和屈服强度的结合，使其成为要求更高的应用的最佳候选材料。此外，将目前的合金设计策略扩展到其他Mg-RE-Al合金系统，以开发一系列强韧和耐腐蚀的Mg合金，也是很有前途的。