曾小勤教授团队在镁合金表面引入具有持久钝化效果的保护膜层

boing

2022年10月3日，国际著名学术期刊《Nature Communications》在线发表了上海交通大学材料科学与工程学院轻合金研究所材料智能设计与加工研究室曾小勤教授团队的研究成果“Towards development of a high-strength stainless Mg alloy with Al-assisted growth of passive film”。该研究通过合金化设计，在镁合金表面引入具有持久钝化效果的保护膜层，并提出一种大幅度协同提高镁合金强度和耐蚀性能的制备方案，颠覆了人们对镁合金合金化在提高强度的同时会因电偶腐蚀大幅度损失耐蚀性的传统认知。该研究论文以上海交通大学为第一单位，上海交通大学材料科学与工程学院朱庆春博士为第一作者，李扬欣博士和曾小勤教授为共同通讯作者。
        在全球努力实现“碳达峰”和“碳中和”的“双碳”目标背景下，镁合金作为密度最低的金属结构材料，在交通运输和航空航天等轻量化需求迫切的领域具有天然优势。长期以来，绝对强度偏低和耐蚀性能不足是阻碍镁合金大规模应用的两大瓶颈问题。合金化（尤其是添加稀土元素）是大幅度提高镁合金强度的有效手段之一，但大多数合金化高强镁合金中的第二相会和基体形成原电池而引发激烈的电偶腐蚀，从而大幅度降低镁合金的腐蚀性能。如何通过合金化设计协同提升镁合金的强度与耐蚀性是学术界和工业界长期以来关注的热点和难点之一。
        针对上述难题，上海交通大学材料学院曾小勤教授团队选择典型的高强Mg-Y系合金为研究对象，基于两点假设选取Al元素进行微合金化改性：（1）Al元素的添加能在Mg-Y合金中形成原位自生的Al2Y颗粒细化晶粒和长周期堆垛有序结构（LPSO）强化相，可以显著提升铸造和变形Mg-Y-Al合金的强度并维持良好的塑性；（2）溶解后的Al元素比Zn等元素在镁合金表面具有更快的沉积速率，有利于促进腐蚀环境中镁合金表面成膜，并采用传统的重力铸造和挤压变形方式制备出屈服强度达350 MPa，延伸率达8% 和腐蚀速率低于0.2 mm y-1（失重）的高强不锈镁合金，这些性能组合优于目前公开报道的镁合金（如图1f所示）。值得一提的是，少量Al元素的添加促进了合金中Y元素在合金表面的快速致密沉积，形成了具有持久保护性的钝化膜（图2-图5），有效阻碍了合金中第二相和基体间的电偶腐蚀，极大降低了Mg-Y-Al合金腐蚀的组织敏感性（图1）和杂质元素敏感性（合金铁含量~200 ppm），为将来铸造和变形高强不锈镁合金在工业制备中的应用提供了一种新的设计思路。该研究成果已申请中国发明专利（授权专利号：ZL202010198047.9）和PCT美国专利（公开专利号：PCT/CN2021/080828）。

图1 Mg-11Y-1Al（WA111）合金的力学性能和耐腐蚀性能与文献中其他镁合金的比较

       丁文江院士于2012年提出研制工程可用的不锈镁的设想，并持续关心、参与和推动完成了本研究工作。特别感谢厦门大学曹福勇博士和澳大利亚RMIT大学邱冬博士对本研究工作提出的建议。本研究获得了国家自然科学基金（51825101、51701121、52001199）和上海市“科技英才扬帆计划”（17YF1408800）等项目的资助。
       https://www.nature.com/articles/s41467-022-33480-w
       文章来源：上海交通大学
         曾小勤现为上海交通大学材料科学与工程学院教授、博士生导师、轻合金精密成型国家工程中心副主任、上海镁材料及应用工程中心主任。曾获教育部“新世纪优秀人才”、上海市“曙光学者”等荣誉，担任中国材料研究学会理事、科技部重点研发计划指南专家（材料基因组工程）、Journal of Material Science and Technology等4家学术期刊编委。曾小勤教授长期从事先进镁合金设计与制备研究，针对镁易氧化燃烧和强韧性差的问题，提出了“多元微合金化阻燃”和“稀土时效析出相强化”的学术思想，研制了阻燃镁合金和高强度稀土镁合金，在航空航天等重大工程中推广应用。发表SCIE收录论文217篇，SC他引3479次，H因子38，2篇ESI高被引论文。参编专著2本，申请发明专利70项，美国专利1项，参编国家标准2项。获国家科技进步二等奖、教育部技术发明二等奖、国防科技进步二等奖和上海市技术发明一等奖，并获得HZG国际镁研究奖。