1、ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 1 期Vol 42 No12023 年 1 月Jan 2023DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 01 005ZnO 纳米晶须的添加对镁基复合材料耐腐蚀性能影响的实验设计邹勤1，田源2，朱贵星1，王金星1，蒋斌1(1 重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400044;2 重庆材料研究院有限公司，重庆 400707)摘要:将 ZnO 纳米晶须作为增强相添加至纯镁中，制备出不同 ZnO 纳米晶须含量的镁基复合材料，探究了 ZnO 纳米晶须的
2、添加量变化对镁合金的微观组织和耐腐蚀性能的影响。采用电子扫描电镜对所得复合材料的微观组织进行分析，通过浸泡、失重、析氢以及电化学实验对材料的耐腐蚀性能进行测试。实验结果表明，含 0.5%(质量百分数)ZnO 纳米晶须的镁合金耐腐蚀性能最好，主要因为其晶粒尺寸细小均匀，且晶须增强相和第二相在基体中分布均匀，形成的腐蚀产物膜不易脱落，对基体起到了较好的保护作用。关键词:ZnO 纳米晶须;镁基复合材料;耐腐蚀性能中图分类号:TG 146文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)01 0020 05Experimental Design of the Effect of ZnO Nanow
3、hisker Addition on theCorrosion esistance of Magnesium Matrix CompositesZOU Qin1，TIAN Yuan2，ZHU Guixing1，WANG Jinxing1，JIANG Bin1(1 College of Material Science and Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China;2 Chongqing Materials esearch Institute Co，Ltd，Chongqing 400707，China)Abstract:M
4、agnesium matrix composites with different ZnO nanowhisker contents are prepared by adding ZnOnanowhiskers to pure magnesium The effects of the addition of ZnO nanowhiskers and their content changes on thecorrosion resistance of Mg matrix composites are studied by microstructure，immersion，weight loss
5、，hydrogen evolutionand electrochemical experiments The experimental results show that the corrosion resistance of 0.5 znonw/mg compositeis the best，mainly because the grain size is fine，and the reinforced phase and the second phase is evenly distributed inthe collective，the formed corrosion product
6、film is not easy to fall off，and plays a good protective role on the matrixKey words:ZnO nanowhisker;magnesium matrix;corrosion resistance收稿日期:2022-06-15基金项目:国家自然科学基金项目(U21A2048);重庆市教育教学改革研究项目(203247);重庆市高等教育教学改革研究项目(212008)作者简介:邹勤(1989 )，女，四川遂宁人，实验师，主要从事镁合金材料与工艺方面实验教学与管理。Tel:023-65102466;E-mail:zou
7、qin17 cqu edu cn0引言镁合金是现有工业应用中最轻的金属材料之一1，比钢铁、铝合金等具有更大的轻量化优势，同时比强度、比刚度高，导热性、电磁屏蔽性、减震性优异，被称为“21 世纪绿色工程材料”2-4。随着镁合金的逐步应用，也发现一些问题与挑战:相较于其他应用成熟的金属及其合金，镁合金力学性能、耐腐蚀性能较差，这严重制约了其在工程领域中的广泛应用5。为解决这些问题，在镁基体中添加增强体，开发综合性能优异的镁基复合材料成为研究热点和前沿6-8。目前，镁基复合材料增强体主要有碳化物、碳纤维、金属氧化物、硼化物、金属颗粒以及纳米晶须等9。第 1 期邹勤，等:ZnO 纳米晶须的添加对镁基复
8、合材料耐腐蚀性能影响的实验设计ZnO 纳米晶须为六方纤锌矿结构，与镁类似，两者晶格常数也非常接近。同时，ZnO 晶须具有熔点高、热膨胀系数低等特点，能够提高复合材料的化学稳定性，可作为理想的镁基复合材料增强相10-11。目前，ZnO纳米晶须主要被添加到陶瓷材料、有机高分子中起到增韧作用12-14，但作为金属基复合材料增强相的研究仍然较少。因此，本文将 ZnO 纳米晶须作为增强相添加至纯镁中，成功制备出不同 ZnO 纳米晶须含量(质量百分数)的 xZnOnw/Mg(x=0，0.1，0.5，1.0%)镁基复合材料，通过微观组织分析，结合浸泡、失重、析氢以及电化学实验，研究 ZnO 纳米晶须的添加及
9、其含量变化对 Mg 基复合材料腐蚀过程的影响，探究了复合材料耐蚀性能提升的机制，为镁基复合材料的开发和应用提供一定的依据。1实验材料与方法1.1材料通过球磨机械混合 ZnO 纳米晶须粉末(简称ZnOnw)和 Mg 粉，随后置入冷压模具压制成增强相预制块，在惰性气体保护的井式电阻炉中进行半固态熔融机械搅拌铸造，成功制备出 ZnO 纳米晶须与纯 Mg基体复合的 xZnOnw/Mg(x=0，0.1，0.5，1.0%)复合材料。将所得复合材料在 500 下保温 12 h 进行均匀化处理，随后在 250 挤压(挤压比 12.5 1)，得到直径 16 mm 棒材，将其切成厚度为 3 mm 的试样，经打磨、
10、清洗和烘干后备用。1.2微观组织观察样品经腐蚀剂处理后，使用 Zeiss Axio Vert A1 光学显微镜进行金相组织观察，腐蚀剂配方为:14 mL 乙醇+2 mL 冰乙酸+3.2 g 苦味酸的混合溶液。电解抛光后，使用 JEOL JSM-7800F 场发射电子背散射衍射技术(EBSD)分析微观晶粒取向。电解抛光过程采用液氮控制温度，约为 25;抛光时间为2 min;电解抛光液(AC2)配方为:100 mL 异丙醇、800 mL无水乙醇、18.5 mL 蒸馏水、10 g 8-羟基喹啉、75 g 柠檬酸、41.5 g 硫氰酸钠和 15 mL 高氯酸。1.3浸泡实验用牙托粉和牙托水混合镶样，只
11、保留试样一个完整面作为实验表面，将其浸泡在 3.5%NaCl 溶液中。14 d 后取出，用蒸馏水和酒精清洗、干燥后，使用电子扫描电镜(SEM)进行表面腐蚀形貌观察。1.4失重实验将初始质量 W1(mg)样品的放入 3.5%NaCl 溶液中，置于 25 的恒温水浴锅保温。浸泡 120 h 后取出，用铬酸溶液(含有 200 g/L 的 CrO3和 10 g/LAgNO3)去除试样表面的腐蚀产物。清洗烘干后质量为 W2(mg)。失重腐蚀速率 WL(g/cm2d)计算公式如下:WL=W1 W2At(1)式中:A 为试样表面积(cm2);t 为浸泡时间(d)。瞬时腐蚀速率 PW(mm/a)15 PW=2
12、 10WL(2)1.5析氢实验试样封装后，将样品的工作面朝上暴露在装有150 mL 的 3.5%NaCl 水溶液的烧杯中，用锥形漏斗倒扣在样品上，利用倒置碱式滴定管测量析出气体体积(锥形漏斗和碱式滴定管中充满溶液，无气泡)，实验装置如图 1 所示。析氢平均腐蚀速率 PH(mm/a)16 PH=2 088VHt(3)式中:VH为析氢量(mLcm2);t 为析氢实验时间(d)。1.6电化学实验实验采用动电位极化曲线(Tafel)研究复合材料在 3.5%NaCl 溶液中的电化学行为。动电位极化实验通过电化学工作站控制系统中的电位变化速率，检测体系中电流变化，得到体系中电流随电位变化的关系曲线，进而研
13、究材料的极化性能，分析材料的耐腐蚀性能。本实验所使用的电化学工作站为上海辰华CH1660D 型，采用三电极体系(见图 2)，其中 WE 为待测复合材料;E 为饱和 KCl 甘汞参比电极;CE 为纯铂金属辅助电极(规格:1 mm 15 mm 15 mm)。图 1析氢实验装置示意图图 2三电极体系示意图电化学即时腐蚀速率 Pi(mm/a)Pi=22 85icorr(4)式中，icorr为材料腐蚀电流密度。2实验结果与分析2.1挤压态 xZnOnw/Mg 复合材料微观组织图 3 所示为 xZnOnw/Mg(x=0，0.1，0.5，1.0%)复合材料的挤压态组织及晶粒尺寸分布图。在热挤压过程中，部分晶
14、粒逐渐沿挤压方向被拉长。由于挤压12第 42 卷(a)Mg(b)0.1 ZnOnw/Mg(c)0.5 ZnOnw/Mg(d)1.0 ZnOnw/Mg图 3Mg 与 3 种复合材料金相显微组织及晶粒尺寸分布温度较高，部分变形晶粒发生再结晶，形成细小晶粒和拉长晶粒共存的微观形貌。随着 ZnOnw 含量逐渐增多，晶粒分布更加均匀，平均尺寸逐渐减小，这说明ZnOnw 的添加能有效细化晶粒。通常在变形过程中，大多数晶粒会沿某一个特定方向形成择优排布，从而形成织构组织，如图 4 所示。图中大量的晶粒呈现出蓝色和绿色，这是挤压态基面织构的特征。随着 ZnOnw 添加量的增加，织构最大极密度位置出现偏移，织构
15、强度呈先降低后增加的趋势。晶粒尺寸变化规律与金相组织一致，晶粒随着晶须的添加逐渐细化。但当 ZnOnw 含量增加至 1.0%时，晶粒尺寸不再均匀，出现了明显挤压流线附近非常细小晶粒，以及一些较大等轴晶粒，且织构强度反而增加，这说明随着 ZnOnw 含量进一步增多，对其晶粒细化效果并不持续增加，过量 ZnOnw 容易形成较为明显的团簇，无法有效均匀分散到整个基体。(a)Mg(b)0.1 ZnOnw/Mg(c)0.5 ZnOnw/Mg(d)1.0 ZnOnw/Mg图 4Mg 与 3 种复合材料 EBSD 和挤压方向 0001 极图2.2挤压态 xZnOnw/Mg 复合材料析氢实验分析图5(a)为挤
16、压态 xZnOnw/Mg 复合材料浸泡在25恒温环境，3.5%NaCl 溶液中析出氢气体积与时间的关系曲线，实验时间为72 h。由图可知，随着浸泡时间的延长，复合材料的氢气析出体积基本呈线性增长，0.5ZnOnw/Mg 复合材料氢气析出体积最少且增幅最小。由图 5(b)可知，复合材料的腐蚀速率均随着浸泡时间的延长逐渐增大。0 12 h 阶段，析氢速率波动均较明显，这是由于试样表面开始形成的腐蚀产物层不稳定，发生了脱落，从而导致 NaCl 溶液与该部位新暴露出来的未腐蚀基体接触，提高了腐蚀速率。12 48 h 阶段，纯 Mg、0.1ZnOnw/Mg 和 1.0ZnOnw/Mg 复合材料的腐蚀速率逐渐增加;0.5ZnOnw/Mg 复合材料析氢速率趋于平稳。浸泡超过 60 h 后，随着腐蚀产物层的堆积，4 种材料的析氢速率均趋于稳定。整个析氢过程，0.5ZnOnw/Mg 复合材料的腐蚀速率始终处于最小值。2.3挤压态 xZnOnw/Mg 复合材料重量损失实验分析根据浸泡实验样品损失质量，计算出 4 种材料在3.5%NaCl 溶液中浸泡 120 h 的析氢和失重腐蚀速率，对比如图 6 所示。从
