基于铝合金中纳米尺度金属间化合物溶解电流测量与分析的局部腐蚀机理研究

The intermetallic particles which can significantly increase the strength of aluminum alloys have different electrochemical activity with the Al matrix, as a result they often cause the galvanic corrosion and lead to localized corrosion failure. Since the dissolution current of nanoscale intermetallic particles is very small, there is still a lack of quantitative study in electrochemistry. Recently we found that the selective dissolution of Mg in β-phase precipitate (Al3Mg2) can occur during the metastable pitting process caused by the anodic dissolution of the β-phase precipitates, however the detail mechanism is not completely understood. In this work, the localized corrosion behaviour associated with three typical intermetallic particles will be investigated by using a microelectrode technique. In order to understand the partial dissolution process of different intermetallic particles, current transients associated with the nanoscale particles will be measured and analysed using the combined corrosion morphology observations by TEM and surface analysis by XPS. In addition, the electrochemical behaviour of these particles will be investigated to provide fundamental information to support this project. The effect of potential and pH value will also be investigated with aim to specify the conditions for the partial dissolution. This project not only promotes the development of localized corrosion theory for Al alloys, but also it can provide a theoretical guidance for the design of Al alloy with high resistance against intergranular corrosion and stress corrosion cracking.

纳米尺度金属间化合物在铝合金中起强化作用，其电化学性质与Al基体不同，易产生电偶腐蚀而导致铝合金的局部腐蚀失效。由于纳米尺度金属间化合物引起的局部腐蚀电流很低（pA级），定量的电化学研究鲜有报道。在前期研究中申请者采用微电极技术发现Al-Mg合金中的阳极相（Al3Mg2）在点蚀过程中只发生部分溶解，但发生的条件和机制尚不清楚。本项目拟采用微电极技术系统研究几种典型铝合金中的金属间化合物析出相（Al3Mg2、MgZn2和Mg2Si）在亚稳态点蚀过程中的溶解行为。通过微电极暂态电流的测量与分析、TEM观察、金属间化合物的电化学性质测试、表面pH分布的测量和表面膜结构表征等方法，揭示不同类型纳米尺度金属间化合物发生溶解或部分溶解的机制，建立其与合金相结构和成分、pH和电位的关系。本项目的研究不仅能丰富铝合金局部腐蚀理论，也为研发抗晶间腐蚀和应力腐蚀的铝合金提供科学依据。

铝合金中的纳米尺度金属间化合物提高铝合金强度的关键材料因素，但由于绝大多数金属间化合物的电化学性质与Al基体有不同程度的差异，因而易引起铝合金的局部腐蚀，制约了铝合金在腐蚀性环境中的应用。为了缓解铝合金的腐蚀速率，需要深入了解不同金属间化合物的腐蚀机制及其与Al基体之间的电偶腐蚀规律；此外，开展纳米尺度金属间化合物的阳极溶解的定量研究也十分必要，但由于铝合金纳米尺度金属间化合物引起的局部腐蚀电流很低，如何开展定量研究一直是个难题。针对以上问题，本项目采用多种研究手段和测量方法（如微电极技术、电偶腐蚀的局部电流分布、局部pH测试和Cl-分布测试等），研究了铝合金中几种典型金属间化合物的电化学行为及其与纯Al之间的电偶腐蚀行为；重点研究了金属间化合物的选择性腐蚀行为及其与成分、电位和pH 值等因素的关系；并采用高采样率和低电流测量技术，研究了铝合金中纳米级沉淀相诱发亚稳态点蚀行为。1) 发现富Cu的Q 相在腐蚀过程中Cu原子会在表面富集，是导致其局部腐蚀的关键因素；与Al基体相比，Q相均为阴极相，与pH无关；2) MgZn2/Al电偶腐蚀研究表明MgZn2在中性和酸性溶液中均为阳极相，在碱性溶液中则为阴极相，在中性溶液则发生自腐蚀；在一定条件下，Zn的富集在一定程度上能抑制MgZn2的腐蚀；3)在酸性NaCl溶液中，Mg2Si中的Mg会发生优先溶解，而Si则在表面富集，致使Mg2Si的结构和组成发生变化，最终变为阴极相。在碱性溶液中，Mg2Si表面形成了电化学性能相对稳定的表面膜，阳极活性显著下降，与Al相比为阴极相；4）利用pA 级电流测量装置，实现了铝合金中纳米级阳极β相溶解电流的测量，发现铝合金中β相诱发的亚稳点蚀行为受控于析出相的大小、数目及分布。以上研究成果对于深入理解铝合金的局部腐蚀机理有重要科学价值。