《稀有金属》5期文章：退火处理对高压扭转ZXJ310 镁合金体外降解性能的影响

     2024年06月28日

【摘要】

利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、能谱仪（EDS）、腐蚀失重实验以及电化学工作站研究了退火处理对高压扭转变形（HPT）ZXJ310合金的微观组织和体外降解性能的影响。结果表明：高压扭转态ZXJ310镁合金在150℃退火时，随着退火时间延长（0~4 h），合金的平均晶粒尺寸由高压扭转态的98.3nm，分别增长至 169.8，217.6，220.2和259.5nm。通过TEM观察可知， ZXJ310镁合金中的位错密度明显降低；电化学测试显示：随着退火时间延长，腐蚀电位明显增加， ZXJ310镁合金Nyquist图谱中的容抗弧半径逐渐增加，退火4h后高压扭转ZXJ310镁合金的电化学腐蚀速率可以降低至0.32mm·y-1；ZXJ310镁合金在模拟体液中的浸泡失重试验结果也表现出同样的趋势， 3~4 h退火后的ZXJ310镁合金的耐蚀性显著提升；对ZXJ310镁合金的腐蚀产物分析可知，退火处理显著改善合金在模拟体液（SBF）溶液中的浸泡腐蚀行为，增加腐蚀产物膜层的致密性和稳定性，但不会对合金腐蚀产物的类型产生影响。不同状态下ZXJ310镁合金在相同浸泡条件下产生 的腐蚀产物种类没有区别，浸泡120h后均能产生含羟基磷灰石的Ca-P化合物。

 

【图文速览】

图1　不同退火处理状态下ZXJ310镁合金的微观形貌及晶粒尺寸统计

Fig.1　Microscopic morphology（a~e） and grain size statistic（f） of ZXJ310 magnesium alloys in different annealing treatmentstates（a）HPT；（b）150 ℃-1 h；（c）150 ℃-2 h；（d）150 ℃-3 h；（e）150 ℃-4 h；（f）Grain size statistic

 

图2　不同退火处理状态下ZXJ310镁合金的Tafel曲线

Fig.2 Tafel curves of ZXJ310 magnesium alloys in different annealing treatment states

 

图3 不同退火处理状态下的ZXJ310镁合金的EIS图谱及等效电路模型

Fig.3 EIS spectra（a）and equivalent-circuit models（ b，c）of ZXJ310 magnesium alloys in different annealing treatment states

 

图4 150 ℃不同时间退火后 ZXJ310 镁合金浸泡腐蚀失重速率的变化

Fig.4 Changes of weight loss rate during immersion of ZXJ310 magnesium alloys treated at 150 ℃ for different times

 

图5 HPT态ZXJ310镁合金在SBF中浸泡不同时间后的腐蚀形貌以及去腐蚀产物后形貌的SEM图像

Fig.5 SEM images of corrosion morphology（a~c）and morphology after removing corrosion products（d~f）of HPT state ZXJ310 magnesium alloys after immersion in SBF for different times（a，d）24 h；（ b，e）72 h；（ c，f）120h

 

图6 HPT态ZXJ310镁合金在150 ℃退火4 h之后在SBF中浸泡不同时间后的腐蚀形貌以及去腐蚀产物后形貌的SEM图像

Fig.6 SEM images of corrosion morphology（a~c）and morphology after removing corrosion products（d~f）of HPT state ZXJ310 magnesium alloy after annealing for 4 h at 150 ℃ after immersion in SBF for different times（a，d）24 h；（ b，e）72 h；（c，f）120 h

 

图7 HPT 态以及 150 ℃退火 4 h 的 ZXJ310 镁合金的的浸 泡失重和pH变化

Fig.7 Immersion weight loss（a）and pH change （b）of HPT state ZXJ310 magnesium alloys and ZXJ310 magne⁃ sium alloys annealed at 150 ℃ for 4 h

 

【全文小结】

1. 随着退火时间的延长，ZXJ310 镁合金中平均晶粒尺寸由98.3nm 长大至259.5 nm，位错密度逐渐降低，电荷在合金与SBF也界面处转移的阻力增加，合金的电化学腐蚀速率显著逐渐降低，由初始HPT态的4.28mm·y-1降低至150℃下退火4 h的0.32mm·y-1。 

2. 相较于HPT态 ZXJ310 镁合金， 150 ℃下经过不同时间退火后合金的电化学腐蚀模型发生了变化，退火后合金的位错密度降低，合金腐蚀产物 膜层的稳定性显著提升。

3. 退火处理对合金腐蚀产物的种类影响不大，不同退火制度下 ZXJ310 镁合金腐蚀产物中均能观察到Ca-P化合物，并且随着腐蚀时间的延长，合金腐蚀产物中 Ca-P化合物的占比逐渐增加，在OH以及SBF中Ca2+，HPO4 2-和PO4 3-的作用下， Ca-P化合物逐渐以羟基磷灰石的形式沉积在合金表面。

 

【作者简介】

张家振，马鸣龙，李永军*，孙昭乾，史文鹏，郝雪龙*，张 奎

（1. 中国有研科技集团有限公司有色金属材料制备加工国家重点实验室，北京 101407； 2.有研工程技术研究院有限公司，北京 101407； 3.北京有色金属研究总院，北京 1000883； 4.国标（北京）检验认证有限公司国家有色金属及电子材料分析测试中心，北京 101407）

 

【引用本文】

张家振，马鸣龙，李永军*，孙昭乾，史文鹏，郝雪龙*，张 奎. 退火处理对高压扭转ZXJ310镁合金体外降解性能的影响 [J]. 稀有金属，2024，48(5): 609-617.

Zhang Jiazhen，Ma Minglong，Li Yongjun，Sun Zhaoqian，Shi Wenpeng， Hao Xuelong，Zhang Kui. In Vitro Degradation of High Pressure Torsion ZXJ310 Magnesium Alloy After Annealing Treatmen[J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2024, 48(5): 609-617.