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世界级材料力学专家Dierk Raabe:攻克铝合金水腐蚀难题,引领材料可持续未来!

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2024年07月10日 14:27:12
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本研究深入剖析了高强度轻质铝合金在水腐蚀过程中的一系列复杂机制。

本文经微信公众号“材料设计”授权转载(ID:cailiaosheji)


【研究背景】


铝合金广泛应用于汽车、船舶和飞机等领域,在减轻电动车辆重量、降低燃料消耗和对环境的影响等方面的作用日益显著。除了具有优异的强度重量比外,由于其表面形成的氧化物屏障,使得在暴露于腐蚀性环境时具有很高的耐腐蚀性。这些薄膜非常致密,只有几纳米厚,由于与金属的结合非常牢固,从而抑制了进一步的腐蚀。


尽管有这种自我保护机制,铝合金和其他金属合金一样,在水环境中降解会造成大量损失,除此之外,铝合金的腐蚀既昂贵又危险。


在这方面有三个因素值得特别注意:首先,铝合金越来越多地暴露在恶劣环境条件下,而最初的设计并没有考虑到这些因素。其次,合金变得越来越坚固,化学成分也越来越复杂,这使得更容易受到腐蚀。第三,这一领域的进步对提高工业化社会的可持续性有着巨大影响,因为消除了对不需要且废弃的部件进行替换的必要性,这是提高产品和基础设施寿命的一个关键方面。


因此,从单纯的瞬态补救处理和表面涂层到更全面、更科学的耐腐蚀合金设计,推进腐蚀防护变得越来越重要。


【成果速览】


铝合金由于其良好的可回收性和95%的能量增益,在循环冶金中发挥着重要作用。其低密度和高强度的线性转化降低了运输中温室气体的排放,并且优异的耐腐蚀性提高了产品的使用寿命。


铝合金的耐用性源于与表面紧密结合的致密屏障氧化膜,防止材料的进一步降解。然而,经过几十年研究,单个元素反应及其对多组分铝合金腐蚀过程中纳米级氧化膜特性的影响仍是一个难题。


在这里,世界级材料力学专家Dierk Raabe团队,建立了腐蚀氧化膜的近原子图像与水腐蚀中高强度Al-Zn-Mg-Cu合金的溶质反应性之间的直接关联。揭示了纳米晶氧化铝的形成,并强调了氧化物与基体之间的溶质分配和内部界面的偏析。峰时效合金中Mg的分配含量急剧下降,说明了热处理对合金氧化物稳定性和腐蚀动力学的影响。通过用氘标记H同位素,结果证明氧化铝可能在防止H脆过程中起着重要的动力学屏障作用。


本项工作加深了对进一步提高氧化铝稳定性的机制理解,并指导了潜在应用的耐腐蚀合金的设计。


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相关成果以“How solute atoms control aqueous corrosion of Al-alloys”为题刊登在《Nature Communications》上。


【数据概况】


图1.AlZnMgCu合金在0.01M KCl中的腐蚀性能和元素溶解速率。(正文图1)


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图2.对0.1 M KCl中浸泡3小时后的淬火态Al-2.69 Zn-2.87Mg-0.95Cu合金(原子百分比),在D2O中的单个原子分布和成分进行原子探针断层扫描(APT)分析。(正文图2)


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图3.对0.1M KCl中浸泡3小时后的峰时效(120°C,24小时)Al-2.69 Zn-2.87Mg-0.95Cu合金,在D2O中进行原子探针断层扫描(APT)分析。(正文图3)


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图4.对暴露于0.1M KCl达3小时后的峰时效Al-Zn-Mg-Cu合金进行扫描透射电子显微镜(STEM)分析。(正文图4)


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图5.在25°C和1大气压下,Al-2.69 Zn-2.87Mg-0.95Cu合金(原子百分比)在0.1M KCl中的电位-pH图。(正文图5)


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【结论展望】


本研究深入剖析了高强度轻质铝合金在水腐蚀过程中的一系列复杂机制。


研究表明,在腐蚀过程中,镁对表面氧化铝的形成有所贡献,然而含镁的氧化物保护性能相对较差,导致合金的一般腐蚀敏感性增加。因为含镁氧化物的效率和稳定性不足,可能致使KCI与内部基质发生连续反应,并且在掺杂镁的氧化铝中,H溶解度和H间隙剂的浓度大幅增加,使其不仅更易进一步腐蚀,对氢脆的防护也显著降低。


时效回火会对腐蚀过程中氧化物的组成产生影响,与固溶热处理状态相比,峰时效合金表面氧化物的Mg含量显著降低,通过热处理和调整合金成分来减少甚至消除表面氧化膜中的镁,能够成为提高合金耐腐蚀性的有效策略。


此外,更稳定的溶质Zn和Cu在氧化物下方的基质中富集,虽能一定程度上提供屏障抑制腐蚀剂进入内部金属,但脱合金区域的富集层也可能形成电池机制导致界面加速腐蚀,且富集层和基体之间的固有电化学不稳定性会促进局部腐蚀的动力学,大幅降低合金的整体耐腐蚀性。


总之,深入了解水腐蚀潜在机制对于提升材料的可持续性至关重要,而通过降低氧化铝中镁含量、促进纯氧化铝形成等措施,能够有效控制和提高高强度轻质铝合金的耐水腐蚀性能,这对于开发适用于即将到来的氢经济的铝基合金在运输和基础设施方面的应用具有重要意义。


作者:晚晚

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