文章摘要：

采用失重、析氢和电化学试验研究了铸态Mg-5Sn-xIn（x = 0,1,2,3,4，均为wt%）合金在3.5 wt% NaCl溶液中的腐蚀行为。结果表明：所有合金的显微组织均为典型的粗枝晶，没有富in相的存在；随着In含量的增加，Mg-5Sn-xIn合金的耐蚀性单调增强，直至3 wt%。电化学测量结果表明，这种改善主要是由于阴极反应的延迟，析氢速率的降低。

研究背景：

镁合金因其低密度、高比强度和良好的加工性能，在汽车、航空、通讯和生物医学等领域具有广泛应用前景。然而，其绝对强度低和耐腐蚀性差的问题限制了工业应用。Mg–Sn合金因Sn的加入能形成热稳定的Mg₂Sn相，可显著提高高温下的机械性能（如抗蠕变性），同时Sn元素的高氢析出过电位还能抑制局部腐蚀。但过量Mg₂Sn相可能作为阴极相加速微电偶腐蚀，导致腐蚀速率上升。因此，如何在提升机械性能的同时平衡耐腐蚀性成为研究重点。

铟（In）因其在镁中的高固溶度（53.2 wt%）和潜在的电化学调控能力，成为改善Mg–Sn合金耐腐蚀性的候选元素。本文旨在探究In的添加对Mg–5Sn合金在3.5 wt% NaCl溶液中腐蚀行为的影响机制。

研究内容：

1. 材料制备与表征

o 制备铸态Mg–5Sn–xIn（x=0、1、2、3、4 wt%）合金，通过光学显微镜（OM）、电子探针（EPMA）、透射电镜（TEM）和X射线衍射（XRD）分析微观结构。

o 发现所有合金均由粗大枝晶α-Mg基体和枝晶间分布的Mg₂Sn相组成，未观察到富In相。In固溶于α-Mg基体，并在枝晶间区域富集。

2. 腐蚀行为测试

o 失重法与氢析出测试：在3.5 wt% NaCl溶液中浸泡72小时，结果显示随着In含量增加至3 wt%，腐蚀速率（失重速率和氢析出速率）显著降低，但过量In（4 wt%）会导致腐蚀速率回升。

o 电化学测试：通过开路电位（OCP）、动电位极化曲线和电化学阻抗谱（EIS）分析发现，In的添加使腐蚀电位负移，并显著降低阴极电流密度（抑制氢析出反应）。3 wt% In合金的电荷转移电阻（RctRct）和极化电阻（RpRp）最大，表明其表面保护膜最稳定。

3. 腐蚀机制分析

o In的固溶提高了α-Mg基体的电位，减少了其与Mg₂Sn相的电位差，削弱了微电偶腐蚀的驱动力。

o In的氧化产物（如In₂O₃）与Mg(OH)₂共同形成致密腐蚀膜，抑制Cl⁻的侵蚀。

o 过量In（4 wt%）导致枝晶间区域富集In，成为新的阴极活性区域，反而加速局部腐蚀。

结论：

1. 最佳耐腐蚀性：添加3 wt% In的Mg–5Sn合金表现出最低的腐蚀速率（失重速率0.47 mg cm⁻² d⁻¹，氢析出速率0.34 mL cm⁻² d⁻¹），其耐腐蚀性显著优于其他成分。

2. 机制总结：

o In通过固溶降低α-Mg与Mg₂Sn的电位差，减缓微电偶腐蚀。

o In的氧化产物与Mg(OH)₂形成保护性膜层，抑制阴极反应（氢析出）和Cl⁻渗透。

o 过量In导致枝晶间区域阴极活性增强，反使腐蚀速率上升。

3. 方法验证：失重、氢析出和电化学测试结果一致，表明腐蚀速率主要由阴极反应控制，而短期极化测试的阳极电流密度（i_passive）对长期腐蚀行为影响较小。

致谢：

国家重点研发计划项目[资助号：2017YFA0403803]；国家自然科学基金[批准号：51525401,51974058,51927801,51901034]和中央高校基本科研业务费[批准号：DUT18RC(3)042]。李洁华感谢中国海外港澳学者合作研究基金（No. 51728101）、EPU 11/2018和奥地利科学基金（FWF (P 32378-N37)）的资助。

图文速览：

图1. (a – e) Mg-5Sn - xin合金光学显微图：(a) Mg-5Sn, (b) Mg-5Sn-1In, (c) Mg-5Sn-2In, (d) Mg-5Sn – 3In, (e) Mg-5Sn – 4In；(f) Mg - 5sn – 3In合金的背散射电镜图像，(f)的EPMA图显示(g) Mg, (h) Sn, (i) In的元素分布；(j) Mg2Sn粒子的TEM亮场图像和SAED模式

图2. (a) Mg-5Sn-xIn合金的XRD谱图，(b) α-Mg基体和Mg-5Sn-xIn合金枝晶间In含量

图3. (a)浸泡72 h后Mg-5Sn-xIn合金的平均失重速率和析氢速率；(b)浸泡时间对Mg-5Sn-xIn合金氢体积的影响

图4. (a)开路电位转变曲线，(b) Mg-5Sn-xIn合金的代表性极化曲线，(c)极化曲线的阳极分支和(d)极化曲线在-1.60 V处测量的阳极电流密度值，(e)极化曲线的阴极分支和(f)极化曲线在-1.85 V处测量的阴极电流密度值

图5. (a) Mg-5Sn-xIn合金的Nyquist图，(b)相角与频率的Bode图，(c)阻抗与频率的Bode图，(d) EIS谱拟合的等效电路。实线曲线是(a)-(c)的拟合结果

图6. (a)描述合金表面等效电路元件特性的表面模型，(b)计算得到的薄膜电容，(c) Mg-5Sn-xIn合金的薄膜电阻、电荷转移电阻和极化电阻

图7. (a₁)-(e₁)浸泡90 min后Mg-5Sn-xIn合金表面形貌，(a₂)-(e₂)浸泡24 h后Mg-5Sn-xIn合金表面形貌，(a₃)-(e₃)浸泡72 h后Mg-5Sn-xIn合金表面形貌。(a₁-a₃）、（b₁-b₃）、（c₁-c₃）、（d₁-d₃）和（e₁-e₃）分别是Mg-5Sn、Mg-5Sn-1In、Mg-5Sn – 2In、Mg-5Sn – 3In和Mg-5Sn – 4In合金的图像。(f)-(h)分别为A点、B点和C点的EDS结果

图8. BSE图像显示样品在3.5 wt% NaCl溶液中浸泡72 h后的横截面。(a)Mg-5Sn;(b) Mg-5Sn-1In;(c) Mg-5Sn-2In;(d) Mg-5Sn-3In; (e)Mg-5Sn-4In

图9. (a)-(d) Mg-5Sn-3In合金在3.5 wt% NaCl溶液中浸泡12 h后的XPS分析；(d)浸泡前Mg-5Sn-3In合金的In_3d光谱

图10. Mg-5Sn-3In合金在3.5 wt% NaCl溶液中浸泡72 h后截面腐蚀层的EPMA分析：(a)腐蚀层；(b) Mg元素；(c)O元素；(d) Sn元素；(e)In元素

【引用】：Xuejian Wang, Zongning Chen, Jing Ren, Huijun Kang, Enyu Guo*, Jiehua Li, Tongmin Wang*. Corrosion behavior of as-cast Mg-5Sn based alloys with In additions in 3.5 wt% NaCl solution. Corrosion Science, 2020, 164: 108318.