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镁科研

暨南大学、北京航星机械联合：电弧增材制造诱导晶粒细化对AZ31镁合金腐蚀行为

发布时间：2023-08-21 作者：综合管理部

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增材制造（Additive manufacturing，AM）已成为生产复杂结构镁合金零部件的一种新兴策略。由于镁合金化学性质活泼，基于金属粉末的增材制造技术难以规模化应用。相比之下，使用镁合金线材作为原材料的增材制造技术则可以有效避免粉末成型的弊端，且具有高沉积速率、高材料利用率、低成本和较少的部件尺寸限制。目前，已经有大量研究集中在增材制造镁合金工艺和力学性能的研究，然而，关于电弧增材制造技术对成型镁合金耐蚀性能的影响尚不明晰。


最近，为了探究电弧增材技术（WAAM）对镁合金耐蚀性能的影响，暨南大学杨俊杰副教授联合北京航星机器制造有限公司李建伟高级工程师对比研究了电弧增材制造和铸造AZ31镁合金在中性NaCl溶液中的腐蚀行为。研究结果表明，电弧增材制造AZ31镁合金尽管具有晶粒细化和无明显织构的微观组织特征，但其耐蚀性却因大量晶界的存在而显著降低。本研究揭示了电弧增材制造镁合金在中性NaCl溶液中连续浸泡状态下腐蚀行为和腐蚀产物沉积规律，为推动电弧增材制造技术在镁合金成型领域中提供有力支撑。




▲论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jma.2021.04.007

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研究内容简介


论文研究了铸态和WAAM成型态AZ31合金的成分组成和微观结构，如图1所示。从X射线衍射（XRD）结果可以看出，除了典型的α-Mg外，两种样品中还检测到较弱的Mg17Al12和Al86Mn14合金相，而二者合金相含量的差异则是由于不同冷却速率所导致的。不仅如此，相较于铸态合金中合金相沿晶界析出不同，WAAM成型态合金中合金相的分布则更为均匀。通过电子背散射衍射（EBSD）对样品的晶粒取向和尺寸进行分析，结果如图2所示。WAAM成型态合金在ND-TT和TT-TD方向上均呈现等轴晶且无织构的结构特征，而其在两个方向上的平均晶粒尺寸约为12 μm和6.9 μm，远小于铸态合金的晶粒尺寸。


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图1 铸造态和WAAM成型态AZ31合金的物相和微观形貌分析

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图2 铸造态和WAAM成型态AZ31的EBSD分析


重点研究了铸态和WAAM成型态AZ31在0.5 wt.% NaCl溶液中的动电位极化曲线，结果如图3所示。铸态和WAAM成型态AZ31的腐蚀电位分别为-1.559 V和-1.547 V，二者动电位极化曲线的阴极部分几乎重叠，但在阳极部分，铸态合金呈现出明显的“伪钝化”行为，而WAAM成型态则无此特征，说明二者在腐蚀动力学上存在差异。观察动电位极化测试后各样品的腐蚀形貌可以看出（图3b），铸态AZ31具有典型镁合金丝状腐蚀特征，而WAAM成型态AZ31则表现出晶间腐蚀形貌，这主要是由于晶粒细化和沿晶界沉淀的次生相的共同作用，使得微小合金相作为局部阴极加速了其周围镁的腐蚀溶解。


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图3 铸造态和WAAM成型态AZ31的动电位曲线(a)和腐蚀形貌分析(b)


进一步研究了铸态和WAAM成型态AZ31在0.5 wt.% NaCl溶液中的交流阻抗谱（EIS），结果如图4所示。在0.5 h-6 h的Nyquist图中，铸态AZ31由两个分布在高频（HF）和中频（LF）范围的两个电容弧构成。其中，HF部分反应腐蚀产物层的电荷转移情况和电阻能力，而LF环则表示金属基体中的传质和电荷转移弛豫行为。当浸泡至12 h时，铸态合金出现LF感抗弧，而该弧可归因于介质中粒子吸所产生的弛豫现象。相较于铸态AZ31，WAAM成型态AZ31的Nyquist图亦表现出“双弧”特征，但随着浸泡时间的延长，双圆弧的半径均显著减小，表明材料抵抗介质侵袭的能力降低。


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图4 铸造态(a-c)和WAAM成型态(d-f)AZ31的交流阻抗谱


论文还研究了铸造态和WAAM成型态AZ31经24 h交流阻抗测试后表面的腐蚀形貌，结果如图5所示。从宏观形貌来看，二者腐蚀表面均包含腐蚀损伤区域和未腐蚀破坏区域，但二者腐蚀损伤区域形貌存在显著差异。其中，铸造AZ31显示出丝状腐蚀特征，其腐蚀主要发生在a-Mg晶粒内部，而且腐蚀发展受到晶界的限制。相反，WAAM成型态AZ31的腐蚀表面可以看到整个晶粒的剥离，表明其腐蚀损伤机制是以晶间腐蚀为主。


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图5 铸造态(a-c)和WAAM成型态(d-f)AZ31经24 h交流阻抗谱测试后的腐蚀形貌分析


作为极具应用潜力的镁合金增材制造技术，电弧增材技术能够制造出组织均匀、无界面缺陷的AZ镁合金结构。与铸态合金相比，尽管电弧增材制造镁合金具有晶粒细化，且无明显织构的结构特征，但其在NaCl溶液中的耐蚀性却有所降低。这一现象的产生主要归因于电弧增材制造镁合金晶粒细化所引入的大量晶界和合金相的弥散分布，导致合金微电偶腐蚀效应更为显著，且腐蚀产物层更加疏松，无法有效隔离腐蚀介质。因此，在充分掌握丝材在电弧增材制造过程中凝固原理的基础上，针对性地开发新型材料和后处理工艺，显著提升合金服役性能，将有望推进电弧增材技术在镁合金制造领域中的广泛应用。


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