文章摘要：

在使用过程中，铝镁合金中的富镁（β-Al3Mg2）析出物诱发的晶间腐蚀（IGC）会带来巨大的安全风险，并限制材料的发展。在合金中引入痕量Sc-Zr元素和TiB₂颗粒可产生具有丰富低角度晶界(LAGB)的双重异质结构。L12-Al3(Sc,Zr) 纳米沉淀物可抑制再结晶，并通过固定晶界来稳定微观结构。TiB₂颗粒细化了晶粒结构，促进了LAGBs 的形成，减少了沿晶界的富镁相析出。这种合金具有较高的屈服强度（约381.5 MPa）、伸长率（约11.2%）和优异的抗IGC性能，为平衡铝镁合金的机械性能和耐腐蚀性提供了一种新方法。

研究背景：

作为一种不可热处理的铝合金，铝镁合金的强度主要通过固溶强化和位错强化来提高，室温下，镁在铝基体中的溶解度仅为 1.7 wt.%，这导致合金中出现过饱和状态，尤其是那些镁含量较高（大于 3.5%）的合金。然而，在实际应用中出现了一个重大挑战：当高镁合金长时间暴露在 50-200℃的温度下时，很容易因腐蚀而开裂，被称为敏化诱导腐蚀现象。要同时提高耐腐蚀性和机械强度，就必须优化合金成分和微观结构。TiB₂ 陶瓷颗粒与铝基体具有良好的相容性，已被广泛用作铝基合金的异质材料。作为成核点，TiB₂ 颗粒可有效细化晶粒，从而通过晶粒细化强化提高强度。值得注意的是，陶瓷颗粒的加入为调整变形微观结构和析出提供了途径，为优化材料性能提供了更多机会。在之前的工作中，我们证明了TiB₂颗粒能在热变形过程中促进 LAGB 的生成，细化亚晶粒并防止再结晶 GB 的迁移。此外，Sc 和 Zr 还能提高再结晶温度，防止在退火过程中形成粗大晶粒。基于这一概念，我们将少量 TiB₂ 颗粒与痕量 Sc 和 Zr 结合起来，通过控制热变形和优化退火工艺，从而获得了理想的微观结构。析出物和颗粒的协同控制有望减少合金中的敏化腐蚀现象。在这项工作中，通过成分设计和微观结构控制的结合，我们成功地沿着 GBs 引入了高比例的 LAGBs 和不明显的 β 沉淀，从而提高了合金强度和抗敏化腐蚀性。

研究内容：

1. 材料设计与制备：

本实验使用了三种铝镁合金： Al-5Mg、Al-5Mg-0.2Sc-0.1Zr 和 Al-5Mg-0.2Sc-0.1Zr-0.2TiB₂，分别称为 MO、MSZ 和 MSZT。本研究选择 0.2% 的颗粒成分作为目标合金。采用市售纯铝（CPAl，99.7%）、纯镁（99.9%）、Al-10Mn、Al-2Sc、Al-5Zr 母合金和 Al-TiB₂ 前驱体，通过永久模铸造生产铝镁锭。铝锭在 410°C 下均匀化 3 小时后，在 400°C 下以 20:1 的挤压比和 1 mm/s 的挤压速度进行热挤压，挤压出直径为 8 mm 的挤压棒。在 150°C 下敏化处理 100 小时之前，所有样品都在 300°C 下退火 1 小时。

2. 材料分析与表征：

1) 显微组织观察：采用扫描电子显微镜（SEM，JEOL,JSM-IT800）进行EBSD分析；透射电子显微镜（TEM，JEOL JEM-F200）进行显微组织观察。

2) 腐蚀敏感性评估：

将所有样品在 150°C 的敏化温度下处理 100 小时后，根据 ASTM G67-04 标准[34]，使用硝酸质量损失试验（NAMLT）测定 IGC 灵敏度。用于 IGC 测试的样品尺寸为长 50 毫米、宽 6 毫米、厚 0.2 厘米。在进行 IGC 测试前，将抛光样品浸入 80°C 5 wt% 的 NaOH 溶液中 60 秒，用水冲洗，晾干，然后浸入 25°C 70 wt% 的 HNO₃溶液中 30 秒，再晾干。预处理后的样品称重并记录。将样品浸入 30°C 的浓硝酸（50 毫升）中 24 小时。浸泡后，取出样品，在乙醇中超声清洗 2 分钟，在冷空气中彻底干燥，然后再次称重，计算每个样品的质量损失，精度为 0.1 毫克。每个样品至少重复此测试三次。将计算得出的 NAMLT 值（毫克/平方厘米）与文献报道值进行比较，并通过扫描电镜观察和比较横截面腐蚀深度（垂直于挤压方向）。

在电化学测试中，样品经过研磨、抛光、清洗和干燥后，在 CHI 760E 电化学工作站上进行测试。使用氯化钠（3.5 wt%）溶液作为腐蚀介质，工作站由一个标准的三电极装置组成，包括一个银/氯化银参比电极和一个铂电极（20×20×0.5 mm³）。为确保电化学测试过程中电场条件均匀，样品的暴露面积为 1 平方厘米。在进行电位极化实验之前，每个样品都要在氯化钠溶液中浸泡 20 分钟。开路电位（OCP）和极化曲线的扫描速率为 1 mV/s。

3) 性能测试：

拉伸性能使用配备数字图像相关技术（DIC）的万能材料试验机（SUNS，UTM-5105）进行评估，试验机在室温下以 1.8 mm/min 的恒定十字头速度运行。根据 GB/T 228.1-2010 标准，拉伸样品制备成 “狗骨 ”型棒材，标准规格长度为 32 毫米。每次测试至少在五个样品上进行，报告的数据代表这些测试的平均值。

结论：

本研究提出了一种新颖的合金设计策略，即在铝镁合金中同时引入微量的 TiB₂ 颗粒和纳米尺寸的 L1₂ 相。由此产生的 MSZT 合金具有较高的 LAGBs 比例（78%）和 496 nm 的细化亚晶粒尺寸。TEM 和 EDS 分析显示，敏化 MSZT 合金的 GB 处没有明显的富镁沉淀。与此相反，在敏化 MO 合金中观察到沿 GB 连续析出粗大的富 Mg β 相。硝酸质量损失测试表明，敏化 MSZT 合金的抗 IGC 能力明显增强，NAMLT 值为 11.8 ± 1.9 mg/cm²，与 MO 合金相比，质量损失减少了 71.4%。电化学腐蚀评估进一步验证了 MSZT 合金卓越的耐腐蚀性。重要的是，这种合金的微观结构经过优化，屈服强度达381.5 兆帕，比 MO 合金提高了 32.1%。这种方法不仅提高了强度，还缓解了因敏化而导致的典型耐腐蚀性降低问题，打破了强度和耐腐蚀性之间的传统权衡。这项研究提出了在提高耐腐蚀性的同时强化铝镁合金的新概念，为开发具有优异综合性能的铝合金提供了一个宝贵的视角。

致谢：

本研究得到国家重点研发计划（2022YFB3400142）、国家自然科学基金（52174356、51971051和U22A20174）、辽宁省科技计划项目（2022010005-JH6/1001和2022JH2/1013）、龙门实验室重大科技专项（231100220400）和中央高校基本科研业务费的资助。。

图文速览：

图 1 分别为挤压 MO、MSZ 和 MSZT 试样的 EBSD 结果。(a-c) BC-IPF 图；(d-f) KAM 图显示了几何上必要的位错密度分布

图 2 分别为敏化 MO、MSZ 和 MSZT 合金的 EBSD 结果。(a、c、e）BC-IPF 图，（b、d、e）相应的 GOS 图；（g、h、i）错方位角分布图

图 3 敏化 MO 样品的微观结构和成分分析。(a) BF-TEM 图像和亚晶粒尺寸分布；(b) GB 沉淀的特征；(c) (b) 中黑线的 Al 和 Mg 元素浓度分布；(d, e) (b) 中 Mg 和 Al 的元素映射；(f) BF-TEM 图像和 (g) 独立于[“1” ̅030]区轴的β相的相应 SAED，(h) β-Al 界面的 HRTEM 图像

图 4 (a) 铝元素和镁元素的浓度分布图以及相应的元素分布图；(b) HRTEM 图像和单独的 [101]Al 的 FFT 图形；(c) (b) 中红色虚线框的放大图像显示了沉淀和基体之间的界面；(d) IFFT 结果显示了界面位错

图 5 敏化合金的微观结构。(a、c）MSZ 和 MSZT 合金相对低倍的 HAADF-STEM 图像以及相应的元素映射；（b、d）MSZ 和 MSZT 合金中 GB 的高倍率；（e、f）MSZ 和 MSZT 合金的晶粒尺寸统计结果；（g）沿（d）中白线的铝和镁浓度分布

图 6 (a) L1₂-Al3(Sc,Zr)沉淀的分布和相应的敏化 MSZT 样品的 SAED 图像（B //[112]Al）；(b) 该区域的 HRTEM 图像和 FFT 结果

图 7 受测样品在 30 °C 的浓硝酸中浸泡 24 小时后的横截面图像。(a、c、e）敏化 MO、MSZ 和 MSZT 样品；（b、d、f）（a）、（c）和（e）中蓝色虚线框的高倍放大图像；（g）三个样品的俯视图。

图 8 敏化 MO、MSZ、MSZT 合金和一些典型 5xxx 合金的 NAMLT 值与屈服强度的比较。

图 9 敏化 MO、MSZ 和 MSZT 合金的电位极化曲线

图 10 (a) MO、MSZ 和 MSZT 样品的拉伸机械响应；(b) 三种合金与典型 5083、5083-Ag/Zn、5083-RE和 5456合金的屈服强度和伸长率比较

图 11 BC-GOS 分布图显示了退火合金中的亚晶界和再结晶晶粒分布。(a) MO 合金；(b) MSZ 合金；(c) MSZT 合金和 (d) 放大的 BC-IPF 图显示了 TiB2 粒子及其相应的空间取向

图 12 不同合金在退火、敏化处理和浓硝酸腐蚀后的微观结构演变示意图。(a、d、g）MO 合金；（b、e、h）MSZ 合金；（c、f、i）MSZT 合金

【引用】：Xinchen Li, Kai Zhao, Xuekai Li, Bingzhi Li, Ligyuan Yang, Enyu Guo, Huijun Kang, Zongning Chen*, Tongmin Wang*. Synergistic improvement of corrosion-strength of Al-Mg alloy by trace Sc/Zr and TiB2 particles. Corrosion Science, 2025, 246: 112760.