Mg-Gd-Fe和Mg-Gd-Cu合金的微观组织、力学性能和腐蚀性能的对比

摘要

为应对石油钻井领域对可降解压裂工具的需求，本文制备了Mg-Gd-Fe和Mg-Gd-Cu两种合金，并对比研究了其微观组织、力学性能和腐蚀性能。

研究发现：

Mg-Gd-Cu合金的屈服强度（169.6 MPa）和抗拉强度（215.1 MPa）高于Mg-Gd-Fe合金（107.5 MPa 和 182.1 MPa），主要归因于其第二相体积分数更高、晶粒更细。

断后伸长率方面，Mg-Gd-Fe为53.0%，远高于Mg-Gd-Cu的23.3%，主要由于Cu削弱了稀土织构，且第二相体积分数高导致塑性下降。

在25°C、3.0% KCl溶液中，两种合金均表现出良好的降解性能，降解速率分别为380.9 mm/y（Mg-Gd-Fe）和219.5 mm/y（Mg-Gd-Cu）。

1. 实验材料与方法

合金成分（质量分数）：

Mg-Gd-Fe：Gd 2.76%，Fe 0.05%，余量Mg；

Mg-Gd-Cu：Gd 2.27%，Cu 1.46%，余量Mg。

制备工艺：半连续铸造→400°C均匀化→400°C挤压（挤压比28:1）。

测试手段：OM、SEM、EBSD、EDS、硬度测试、拉伸/压缩实验、电化学测试（极化曲线、EIS）、浸泡腐蚀实验。

2. 结果与讨论

2.1 显微组织

Mg-Gd-Fe：晶粒较粗，呈双峰分布，第二相为富Fe相，数量较少。

Mg-Gd-Cu：晶粒更细，分布均匀，第二相为Mg₂Cu，体积分数高，沿挤压方向呈流线型分布。

2.2 力学性能

合金 | 拉伸屈服强度(MPa) | 抗拉强度(MPa) | 伸长率(%) | 压缩屈服强度(MPa) | 抗压强度(MPa) |

Mg-Gd-Cu因第二相强化和细晶强化，强度更高；

Mg-Gd-Fe因稀土织构保留，塑性更好。

2.3 织构与动态再结晶

Mg-Gd-Fe：稀土织构，晶粒取向随机，再结晶率97.9%。

Mg-Gd-Cu：纤维织构增强，再结晶率94.6%，织构变化导致塑性下降。

2.4 电化学性能

Mg-Gd-Cu的腐蚀电流密度（Icorr）更高（0.571 mA/cm²），腐蚀电位更负；

Mg-Gd-Fe的腐蚀速率（380.9 mm/y）高于Mg-Gd-Cu（219.5 mm/y），主要因Fe与Mg形成强电偶腐蚀。

2.5 腐蚀形貌

Mg-Gd-Fe：腐蚀坑深且大，富Fe区腐蚀严重；

Mg-Gd-Cu：第二相周围基体优先腐蚀，形成点蚀坑，第二相脱落。

3. 结论

1. 力学性能：Mg-Gd-Cu强度更高，Mg-Gd-Fe塑性更优；

2. 腐蚀性能：两种合金均具备高降解速率，Mg-Gd-Fe更快；

3. 腐蚀机制：Fe与Mg电位差大，形成强电偶腐蚀；Cu分布均匀，腐蚀更均匀但速率略低。