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镁锂合金是最轻的结构用金属材料，具有高比强度、高比刚度和高延展性以及良好的阻尼和电磁屏蔽性能等优点，在航空航天、兵器工业、轨道交通和电子信息等领域具有广泛的应用前景。然而，耐蚀性差和绝对强度低是制约镁锂合金广泛应用的主要关键问题。针对镁锂合金的成分设计、组织调控、力学性能和腐蚀行为等，广东工业大学李传强副教授近年来开展了系列研究。近期，在热处理调控镁锂合金中LPSO相的形成与腐蚀行为、Zn合金化对镁锂合金应力腐蚀开裂行为影响等方面，李传强副教授取得重要研究进展，相关研究成果分别发表于腐蚀领域顶刊Corrosion Science 228 (2024) 111829和Corrosion Science 227 (2024) 111707。 一、均匀化处理诱导LPSO相形成并提高Mg-Li-Zn-Y-Mn合金的耐蚀性 近年来，含长周期相（LPSO）的镁合金被广泛报道，且被证实LPSO相可在Mg-TM-RE（TM=Al、Zn、Zn、Cu、Ni、Co；RE=Y、La、Ce、Pr、Pr、Sm、Nd、Dy、Ho、Er、Gd和Tm）体系中形成。然而，在镁锂合金体系中，LPSO相很难在初始铸态合金中形成，而要经过后续热处理才能实现LPSO相的转变。目前，关于LPSO相对镁锂合金耐蚀性的影响与腐蚀机制尚不清楚。 本研究表明，对铸态Mg-4Li-4Y-2Zn-0.1Mn（wt.%）（LWZ442M）合金进行420℃/4h均匀化处理，可实现LPSO相的转变。铸态LWZ442M合金的主要相组成为α-Mg基体和(Mg, Zn)24Y5相，而α-Mg基体内嵌有大量密集分布的片层组织；均匀化处理后，α-Mg基体中的片层结构粗化，数量明显减少，成分起伏变化也显著减弱，同时位于晶界处的大块(Mg, Zn)24Y5相转变为14H-LPSO相。腐蚀实验结果表明，两种状态的LWZ442M合金中阴极第二相(Mg, Zn)24Y5或LPSO与阳极α-Mg基体之间均可形成微电偶效应，加速合金腐蚀，且不连续的块状(Mg, Zn)24Y5和LPSO相不能完全阻止腐蚀行进。然而，均匀化处理后的合金耐蚀性缺得到明显提升，这主要原因是，相比铸态合金中(Mg, Zn)24Y5与α-Mg基体之间的高电位差（＞100 mV），均匀化处理后合金中LPSO相与α-Mg基体之间的电位差显著减小（＜50 mV），降低的微电偶效应改善了合金的耐蚀性。另一方面，铸态合金中α-Mg基体由于大量片层结构的存在，导致较大的成分起伏，从而引起强烈的局部腐蚀电位波动，进一步加速了铸态合金的腐蚀破坏；均质化处理后，合金中α-Mg基体内成分起伏变化较小，腐蚀电位波动也减弱了，进而降低了微电偶腐蚀效应，从而提高了合金耐腐蚀性能。
图1 均匀化处理前后LWZ442M合金的微观组织、耐蚀性、腐蚀行为和局部腐蚀电位测试
图2 均匀化处理前后LWZ442M合金在0.1 M NaCl溶液中的腐蚀机理示意图 该研究通过简单的热处理工艺实现了在Mg-Li基合金中形成LPSO相，同时显著提高其耐蚀性，并表征了热处理前后LWZ442M合金微观组织，也揭示出不同状态合金的腐蚀行为、腐蚀机理和LPSO相对LWZ442M合金耐蚀性提升的作用机制。该研究工作为高耐蚀轻质镁锂合金的设计和应用提供了重要的技术思路和理论支撑。 相关研究成果以“Enhancing corrosion resistance of Mg-Li-Zn-Y-Mn alloy
containing long period stacking ordered (LPSO) structure through homogenization
treatment”为题，发表在腐蚀领域顶级期刊Corrosion science上，其中，第一作者和通讯作者为广东工业大学李传强副教授，中科院金属所和加拿大阿尔伯塔大学王士栋为共同通讯作者。 原文链接： https:///10.1016/j.corsci.2024.111829
二、锌合金化对BCC结构镁锂合金应力腐蚀开裂行为的影响 在实际服役环境中，应力和腐蚀介质往往共存，导致Mg-Li合金承受应力腐蚀开裂（SCC）的风险。SCC的发生极其复杂和危险，可能导致材料的突然断裂，发生灾难性事故。近年来学者们对Mg-Li合金的研究越来越多，但其应力腐蚀开裂行为和机理研究相对较少，目前未得到全面的认识，并亟待阐明。因此，Mg-Li合金的SCC行为研究至关重要，在其工程领域应用中具有重要实际意义。 该研究通过调控Zn元素含量设计了四种BCC结构Mg-11Li-xZn合金（x = 0 wt.%，1 wt.%，3 wt.%，6 wt.%），然后采用慢应变速率拉伸实验（SSRT）、失效断口/侧面组织分析和电化学阴极充氢等方法对上述四种合金的应力腐蚀开裂行为和机理进行研究。实验结果表明，随着Zn含量的提高，Mg-11Li基合金的塑性SCC敏感性指数ISCC-ε呈现先降低后升高趋势。可见，含少量Zn（1 wt.%）的Mg-11Li-1Zn合金表现出最高的抗应力腐蚀开裂性能，且明显优于其他镁合金，这主要归因于其表面可形成防护性较好的表面膜，且合金中第二相较少，微电偶腐蚀效应较弱。不含Zn的Mg-11Li二元合金在腐蚀介质中形成的表面膜保护性较差，且氢原子容易渗入基体，从而引起显著的应力腐蚀开裂行为。当添加过多的Zn元素时，Mg-11Li-6Zn合金基体中可形成大量的第二相，在腐蚀环境下可引起强烈的微电偶腐蚀效应，加速破坏表面膜的完整性，同时促进氢的产生和渗透，从而导致严重的应力腐蚀开裂，即SCC敏感性较高。
图3.应力腐蚀开裂后的微观形貌以及充氢前后的力学性能对比
图4.不同Zn含量Mg-11Li基合金应力腐蚀开裂示意图 该研究提出利用少量Zn元素实现BCC结构镁锂合金抗应力腐蚀性能的提升，揭示了不同Zn含量对Mg-11Li基合金应力腐蚀开裂行为和机理的影响规律，以及电化学阴极充氢对Mg-11Li基合金力学性能的影响。该项工作不仅为深入研究镁锂合金应力腐蚀开裂行为与机理提供了新思路和观点，也为低成本高耐蚀镁锂合金的设计和应用提供了重要的理论指导。 该研究成果以“Effect of Zn addition on the stress corrosion cracking
of as-cast BCC Mg-11Li based alloys”为题，发表在腐蚀领域顶级期刊Corrosion science上，其中第一作者为广东工业大学硕士生邓斌斌，广东工业大学李传强副教授与广东腐蚀科学与技术创新研究院闫昌建副研究员、韩恩厚院士为论文的共同通讯作者。 原文链接： https:///10.1016/j.corsci.2023.111707
广东工业大学青年教师李传强副教授，一直从事先进镁及镁锂合金成分设计、微结构调控与表征、形变处理、腐蚀电化学以及材料环境服役行为与失效机制等方面研究工作，目前已发表学术论文50余篇，其中以第1或通讯作者发表论文31篇（近五年25篇，中科院1-2区论文21篇，领域内顶刊或TOP期刊16篇），高被引论文2篇，他引1000余次，其中单篇论文目前最高被引超过160次2篇，申请/授权发明专利和实用新型专利9项，近五年作为项目负责人，李传强副教授先后承担了国家级和省部级等科研项目6项（包括国家自然科学基金项目、广东省自然科学基金-青年提升项目、广州市基础与应用基础研究-科技菁英“领航”项目），企业横向课题多项。此外，李传强还担任金属材料与冶金领域领军期刊Journal of Magnesium and Alloys（JMA）青年编委、广东省生物医学工程学会生物3D打印与再生医学分会委员、中国机械工程学会增材制造（3D打印）技术分会青年委员。近年来，李传强副教授先后荣获镁合金领域顶刊JMA（IF=17.6）的突出论文奖和最有价值论文奖、广东工业大学材料与能源学院“青年优秀人才”。 *感谢论文作者团队的大力支持。 |
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