吴国华教授团队：电弧熔丝增材成形镁稀土合金腐蚀行为调控方面取得重要进展！

近日，上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心吴国华教授团队在高性能镁稀土合金增材制造方面取得重要创新成果，研究成果以“Tailoring corrosion resistance of a high-strength wire-arc additively manufactured Mg-Gd-Y alloy through precipitate engineering”为题，发表在材料腐蚀领域顶刊《Corrosion Science》上。吴国华教授和童鑫助理研究员为该论文的共同通讯作者，直博生占俊民为第一作者，太原科技大学白培康教授、中北大学赵占勇教授为该论文的共同作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、上海航天科技创新基金等项目的资助。

镁稀土合金具有密度低、比强度和比刚度高、抗蠕变性能优良等特点，在航空航天、国防军工装备轻量化领域展现出广阔的应用前景。电弧熔丝增材制造（DED-Arc）是近年来发展迅速的一项新技术，具有沉积效率高、近净成形能力强等特点，为大型复杂镁合金构件的快速成形提供了新的技术途径。然而，相比于铝合金，镁合金化学活性更强，更易发生腐蚀失效，且强度与耐蚀性之间往往难以协同调控，如何在满足强度要求的同时尽可能改善其耐蚀性，是领域内长期存在的关键问题。团队前期研究(Additive Manufacturing, 2023, 67: 103487、International Journal of Plasticity, 2025, 193: 104458、Journal of Magnesium and Alloys, 2025, 13: 562) 发现，电弧熔丝增材镁稀土合金中含有大量位错等非平衡亚结构，这些位错在时效过程中可作为析出相的异质形核点，显著提高纳米强化相的数密度（可达铸造合金的近10倍）。这种独特的析出行为一方面大幅提升了合金强度，另一方面也会改变其腐蚀过程，使得腐蚀行为呈现出区别于传统铸造或变形合金的复杂特征。因此，揭示电弧熔丝增材制造镁稀土合金中析出相状态与腐蚀行为之间的内在关系，对协同调控镁稀土合金的力学性能和耐蚀性能、推动其实际工程应用具有重要意义。

围绕上述问题，吴国华教授团队率先以电弧熔丝增材制造高性能Mg-Gd-Y-Zr合金为研究对象，通过改变时效时间获得了固溶态、欠时效态、峰时效态和过时效态等几种具有不同析出特征的合金，系统比较了它们的析出行为、腐蚀失重、电化学响应以及腐蚀产物膜的演化过程。研究发现，热处理状态显著影响合金中纳米析出相和晶界析出相的分布特征，进而改变了腐蚀产物膜的形成与失效过程。固溶态合金由于缺少析出相，其腐蚀产物膜层均匀致密，在长时间浸泡过程中表现出较好的耐蚀稳定性。欠时效态合金中均匀分布的高密度纳米析出相，能够在腐蚀初期促进相对均匀且致密的腐蚀产物膜快速形成，使其在浸泡前24小时内甚至表现出优于固溶态的耐蚀性，同时仍保持接近峰时效的高强度。相比之下，峰时效态和过时效态合金中析出相密度较高，晶界析出相增多，强烈的微电偶作用导致腐蚀产物膜更易开裂，从而表现出较差的耐蚀性。

该研究进一步揭示了电弧熔丝增材制造镁稀土合金中“析出强化-微电偶腐蚀”之间并非简单的线性关系。传统观点普遍认为，高密度析出相会增强微电偶腐蚀作用，并会降低耐蚀性。但本研究发现，在电弧增材制造镁稀土合金特有的高密度、均匀弥散的析出特征下，这一规律并非固定不变：在腐蚀初期，适量且均匀分布的纳米析出相并不直接导致耐蚀性下降，反而可以通过加速均匀成膜起到防护作用；随着浸泡时间延长，析出相诱发的微电偶效应逐渐累积，腐蚀产物膜的完整性和稳定性成为决定长期耐蚀性的主导因素，最终导致欠时效态合金的初期优势在长时间浸泡后消失。这一结果表明，电弧增材熔丝镁稀土合金高密度、均匀的析出行为，对腐蚀产物成膜动力学和失效行为具有重要影响。通过合理调控时效析出行为，可以在保证材料强度的前提下，有效改善电弧增材镁稀土合金的耐蚀性能。

基于电化学测试、浸泡腐蚀、显微组织观察、飞行时间二次离子质谱和X射线光电子能谱等多尺度表征手段，建立了电弧熔丝增材制造Mg-Gd-Y-Zr合金在不同热处理状态下的腐蚀演化模型，阐明了纳米析出相、晶界析出相与腐蚀产物膜之间的耦合作用机制，并定量对比了不同阶段腐蚀膜中Mg(OH)₂、RE(OH)₃及RE₂O₃的组成差异。研究结果表明，通过调控时效析出状态，充分利用电弧增材制造中高密度位错诱导的均匀析出特点，可以在保持镁稀土合金高强度的同时改善其初期耐蚀性能，为增材制造高性能镁合金构件的强度-耐蚀性协同调控提供了新的思路。

近年来，在丁文江院士的大力指导和支持下，吴国华教授团队在高性能镁稀土合金材料开发、大型复杂构件精密成形等方面均取得了一系列原创性研究成果，为推动镁稀土合金在航空航天等领域的应用做出了重要贡献。

图1 不同时效处理样品的浸泡实验结果

图2 浸泡24 h后样品的截面腐蚀坑状态

图3 不同析出相特征对腐蚀产物分布的影响

图4 不同时效样品随时间演化的腐蚀行为

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

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