Ca添加对挤压WE43-xCa合金微观组织、力学及腐蚀性能的影响

摘 要：

提高镁合金强度和耐蚀性一直是当前工业应用急需解决的问题。本文研究了Ca添加对WE43-xCa（x=0, 0.5, 1）挤压合金的微观组织、力学及腐蚀性能的影响。结果表明：随着Ca含量的增加，合金第二相含量增加并产生Mg₂₄RE₅相和Mg₂Ca相；这些第二相通过颗粒诱导形核（PSN）效应减小挤压合金的晶粒尺寸，从而提高其屈服强度和抗拉强度，但断裂伸长率也随之降低。添加Ca后，三种合金的耐蚀性顺序为WEX431＞WE43＞WEX430。WEX431合金耐蚀性的提升是由于其晶粒细小，表面电位分布均匀，且形成致密腐蚀产物膜。

1 实验

实验原料为重庆昱华新材料科技有限公司生产的三种挤压态WE43-xCa（x=0, 0.5, 1）合金棒材，分别命名为WE43、WEX430和WEX431，挤压比为23.5，挤压温度为450 ℃。通过电感耦合等离子谱仪（ICP）测得实际成分。

沿挤压方向取试样进行室温拉伸试验，拉伸速率为0.5 mm/min。使用OM、SEM、EBSD、XRD、TEM等手段进行微观组织表征。腐蚀性能通过失重、析氢、电化学测试（OCP、EIS、Tafel）进行评估，并使用XPS分析腐蚀产物膜组成。

2 实验结果

2.1 微观组织表征

三种挤压合金均具有均匀的等轴晶粒，晶界处分布大量不规则第二相。随着Ca含量增加，第二相面积分数由2.74%（WE43）增至3.82%（WEX431），且分布更均匀。XRD和TEM分析表明，添加Ca后生成了Mg₂₄RE₅和Mg₂Ca新相。

EBSD结果显示，晶粒尺寸随Ca含量增加而减小：WE43为4.85 μm，WEX430为3.79 μm，WEX431为3.07 μm。Ca添加弱化了基面织构强度，增加了晶粒取向的随机性。

2.2 力学性能

WE43合金屈服强度为178.1 MPa，抗拉强度为251.9 MPa，断裂伸长率为26.6%。添加Ca后，WEX430和WEX431的屈服强度分别提升至211.3 MPa和234.4 MPa，抗拉强度分别为262.2 MPa和265.1 MPa，但断裂伸长率分别下降至13.1%和9.8%。WEX430和WEX431表现出更高的加工硬化率。

2.3 腐蚀性能

2.3.1 浸泡测试

在3.5% NaCl溶液中浸泡72 h后，析氢速率和失重腐蚀速率表明耐蚀性顺序为：WEX431＞WE43＞WEX430。WEX431腐蚀速率（8.76 mm/a），WEX430最高（18.24 mm/a）。

2.3.2 电化学测试

开路电位和动电位极化曲线显示，WEX431具有最高的腐蚀电位（−1.615 V）和最小的腐蚀电流密度（8.72×10⁻⁶ A/cm²），耐蚀性最好。EIS结果也支持该结论。

2.3.3 腐蚀产物膜分析

SEM和XPS分析表明，WEX431表面腐蚀产物膜更致密，裂纹少，含有Ca(OH)₂，对基体保护性强。WE43和WEX430膜层疏松，保护性差。

3 分析与讨论

3.1 强化机制

Ca添加通过细晶强化和第二相强化提高屈服强度。计算表明，第二相强化贡献最大（占65%以上），但也导致塑性下降。

3.2 耐蚀机制

WEX431耐蚀性提升归因于：

- 晶粒细小；

- 第二相分布均匀；

- 腐蚀产物膜致密，含Ca(OH)₂；

- Mg₂Ca相作为阳极保护基体。

WEX430因阴极相多、保护膜差，耐蚀性。

4 结论

1) Ca添加促进第二相析出，生成Mg₂Ca和Mg₂₄RE₅相，细化晶粒并弱化织构。

2) 屈服强度和抗拉强度提升，但塑性下降，主要因第二相强化作用。

3) WEX431耐蚀性最佳，因细晶、均匀电位和致密保护膜；WEX430最差，因阴极相多、膜层疏松。