論文概述

鎂合金由於低密度、高比強和高比剛度、以及良好的切削加工性等優異效能，是輕量化材料的重要選擇，但因其高化學活性以及形成氧化膜層的疏鬆多孔特徵導致材料抗氧化能力不足和耐蝕性差，是鎂合金廣泛應用的制約因素之一。提高鎂合金抗氧化性的方法包括：1.表面改性：如離子鍍、化學鍍、真空蒸發鍍、電化學鍍等，但其工藝成本高且保護膜自修復能力差；2.合金化：稀土或鹼土金屬元素合金化可提高鎂合金的阻燃性和抗氧化性，但其氧化過程規律與作用機理尚待探討。因此，開展稀土微合金化對鎂合金氧化動力學行為影響及其機理的研究，對鎂合金高緻密、高防護性氧化膜製備技術和新型阻燃鎂合金開發具有十分重要的意義。

最近，東北大學材料電磁過程教育部重點實驗室（EPM）樂啟熾教授等人研究了稀土Y和Nd微合金化對AZ80鎂合金高溫氧化動力學、氧化膜層特徵及氧化啟用能等的影響規律。結果表明Y和Nd微合金化可顯著提高AZ80鎂合金氧化膜緻密性，並透過提高氧化啟用能和改變氧化膜層開裂方式(由豎向開裂轉變為橫向或斜向開裂)而顯著提高AZ80鎂合金的抗氧化能力。

本文研究了AZ80以及新增微量Y和Nd的合金鑄造組織以及在不同氧化溫度下的氧化動力學行為，並考察了氧化膜的形貌特徵。如圖1所示，AZ80合金鑄態組織主要由α-Mg和粗大鏈狀或島狀的第二相β-Mg17Al12組成。加入0.32 wt.% Y後，組織中β-Mg17Al12減少並細化，並生成Al2Y新相；加入0.38 wt.% Nd後，組織中β-Mg17Al12相減少、細化，並生成Al2Nd新相。如圖2和表1所示，合金氧化動力學分析表明，稀土Y和Nd的新增，顯著降低了合金的氧化增重及過程中的增重速率。前1小時為氧化初始階段，合金氧化速率近似拋物線型規律，表明此階段氧化膜生長速率由陽離子在生長著的氧化膜層的傳輸控制。

圖1 鑄態合金FESEM/EDS組織: (a) AZ80; (b) AZ80-0.32Y; (c) AZ80-0.38Nd

表1 合金前1h氧化增重速率常數（kp）及氧化啟用能（Q）

圖2 合金在空氣中不同溫度下氧化增重曲線：(a) AZ80，6h；(b) AZ80，前1h；(c) AZ80-0.32Y，6h；(d) AZ80-0.32Y，前1h；(e) AZ80-0.38Nd，6h；(f) AZ80-0.38Nd，前1h

此外，研究還對合金氧化層表面宏/微觀形貌進行了分析。如圖3所示，氧化後AZ80合金表面出現了灰黑色菜花狀氧化胞和毛刺；氧化溫度升高，菜花狀氧化胞增多並逐漸融合，氧化膜層出現散落現象。而氧化後的AZ80-0.32Y和AZ80-0.38Nd合金表面相對光滑、均勻，氧化層無明顯胞狀結構和毛刺出現；隨著氧化溫度的升高，AZ80-0.32Y合金氧化膜出現層狀脫落，AZ80-0.38Nd合金氧化膜層狀脫落更嚴重。如圖4所示，AZ80合金表面形成的氧化膜粗糙且質地疏鬆，膜層存在大量微孔洞；而AZ80-0.32Y合金表面形成的氧化膜相對緻密；AZ80-0.38Nd合金形成的氧化膜雖然孔洞較少，但緻密性不足，氧化膜交替出現疏鬆和緻密結構。因此，稀土Y微合金化後，合金氧化成膜性更好，氧化層光滑緻密。

圖3 AZ80, AZ80-0.32Y和AZ80-0.38Nd合金空氣中不同溫度下氧化6h後的表面宏觀形貌

圖4 實驗合金420 °C氧化6h後氧化層SEM照片：(a, b) AZ80, (c, d) AZ80-0.32Y和(e, f) AZ80-0.38Nd

如圖5所示，AZ80、AZ80-0.32Y和AZ80-0.38Nd合金在413 °C氧化6小時後，其氧化層厚度分別為：29.3μm，4.4μm和7.6μm；420 °C氧化6小時後，其氧化層厚度分別為：41.6μm，10.6μm和27.5μm。另外，值得注意的是，AZ80合金氧化層中出現豎向裂紋，AZ80-0.32Y合金氧化層中出現橫向裂紋，AZ80-0.38Nd氧化層中出現斜向裂紋，因此，三種合金氧化層的開裂方式分別為：豎向開裂、橫向開裂和斜向開裂。

圖5 實驗合金氧化層橫截面形貌：(a) AZ80, 413 °C; (b) AZ80-0.32Y, 413 °C; (c) AZ80-0.38Nd, 413 °C; (d) AZ80, 420 °C; (e, g) AZ80-0.32Y, 420 °C; (f) AZ80-0.38Nd, 420 °C

作者簡介

樂啟熾(通訊作者)，東北大學教授，博士生導師，入選教育部新世紀優秀人才計劃和遼寧省百千萬人才工程百層次。中國材料學會鎂合金專業委員會理事，中國有色金屬學會材料科學與工程學術委員會委員，中國鑄造學會常務委員，全國鑄造標準化技術委員會鑄造有色合金技術委員會委員，白雲鄂博稀土資源研究與綜合利用國家重點實驗室客座教授，《鑄造》和《兵器材料科學與工程》》雜誌編委。授權專利60餘項，發表學術論文320餘篇，SCI收錄200餘篇。獲省科技發明二等獎1項和市科技二等獎1項。

程春龍(第一作者)，男，東北大學材料加工專業博士生，研究方向為鎂合金高溫氧化動力學及其應用基礎研究。