[发明专利]一种高强耐蚀镁合金

说明书

本发明涉及一种高强耐蚀镁合金，属于金属材料领域。该高强耐蚀镁合金，按质量分数计，其成分为：Sc 5‑15%，Mn 0.5‑1%，Zr 0.5‑1%，Fe，Ni不可避免杂质含量<0.05%。本发明的高强耐蚀镁合金，其中Sc元素的含量控制在5‑15%之间，适量的Sc元素在固溶强化的同时会形成β‑Sc，起到形核质点的作用，大幅细化晶粒，出现细晶强化和第二相强化的作用，因此铸态的抗拉强度是纯镁的10倍。本发明将Mg‑Sc镁合金在300℃下，以挤压比16：1挤压后，其拉伸强度达到400〜420MPa，抗拉强度240〜260MPa，延伸率8〜10%。另外，本发明加入适量的Sc元素后，能够形成Sc₂O₃和Mg(OH)₂的混合涂层，使得Mg‑Sc镁合金基体表面膜层更致密，保证了良好的耐腐蚀性能。

技术领域

本发明涉及一种高强耐蚀镁合金，属于金属材料领域。

背景技术

腐蚀是材料在环境中受到物理、化学和电化学等作用时，引起的材料性质、形貌、力学性能改变的现象。据统计，每年全世界因腐蚀报废的金属约1亿吨，占年产量的20%～40%，全世界每年因腐蚀报废的钢铁设备相当于年产量的30%。而且随着工业化的进程，腐蚀问题日趋严重，美国1949年腐蚀消耗（材料消耗和腐蚀）为50亿美元，1975年达700亿美元，到1985年高达1680亿美元。数据显示，发达国家每年因腐蚀造成的经济损失约占国民生产总值的2～4%；美国每年因腐蚀要多消耗3.4%的能源；我国每年因腐蚀造成的经济损失至少达二百亿元；全球每年因腐蚀造成的损失高达7000亿美元，是地震、台风、水灾等自然灾害综合损失的6倍。

相对其它金属结构材料，镁的化学性质比较活泼，耐腐蚀性较差，容易造成部件损耗乃至完全失效。目前，改善镁的本征耐腐蚀性的主要手段是添加适量的合金元素。例如：在纯Mg中添加9wt%的Al可以大幅提高Mg-Al合金的耐蚀性；添加少量的Ca（少于2wt%）有利于AZ91镁合金腐蚀性能的提升；部分微量稀土元素（如La，Ce等）可以作为固溶元素或者析出相的形式在镁基体中存在，改善AM60镁合金的耐腐蚀能力。以上研究表明，通过合金化改善镁合金本征耐腐蚀性是可行的。

根据纯镁的Pourbaix相图，金属Mg能稳定存在的区域对应的电位通常较负，而材料在实际工作中的电位要比其高的多，因此通过合适的成分设计，使得镁合金发生腐蚀后形成有效的钝化膜，从而阻止或阻碍进一步腐蚀的发生，成为了改善镁合金耐蚀性能的主要手段。

腐蚀产物能否在材料表面形成有效的钝化膜，一方面固然与腐蚀产物的形态、稳定性密切相关，另一方面也与固态氧化物的密度与合金基体密度间的匹配相关。Pilling与Bedworth在早期对金属及其氧化物的研究发现：当氧化物体积与原金属的体积比（Pilling-Bedworth ratio，PBR）小于1时，氧化物无法完整覆盖金属表面，从而无法起到钝化保护作用；当该体积比大于2时，氧化物又因内应力过大易于破裂而无法保护金属表面；当该体积比介于1～2之间时，氧化物往往能够在金属表面形成致密的钝化膜，从而保护金属基体免于进一步的腐蚀。当然也有不少实验研究发现：在一些体系当中，尽管PBR介于1～2之间，腐蚀产物还是不能有效保护金属基体，其原因在于离子/原子在腐蚀产物中具有较大的扩散能力，从而迁移到腐蚀产物表面，使得腐蚀继续。

对于纯镁而言，其PBR为0.81，即形成的MgO并不具有保护性，因而镁的耐蚀性能差。Wanqiang Xu等人通过在纯镁中添加大量的锂元素，提高了镁锂合金的PBR值，使镁锂合金表面形成致密的氧化锂-氧化镁-碳酸锂复合保护层，大幅提高了镁锂合金的腐蚀性能，开发了兼具高强度和耐蚀性的镁合金。因此，应从腐蚀产物的稳定性、PBR、腐蚀产物的扩散行为等方面着手来分析镁合金的自我保护、耐蚀能力，深化对镁合金腐蚀过程中钝化层的认识，为新型耐蚀镁合金的设计提供指导作用。